Lautsprecherentwicklung, Foto Story

Photo Story
Lautsprecherentwicklung, mit Hilfe des ATB PC Pro
Die mit Wissen gekennzeichneten Artikel liefern die physikalischen Grundlagen zu dem
jeweiligen Thema.
1. Die Analog.on Nugget
Die Analog.on Nugget ist ein kleiner High End Lautsprechers für Hi-Fi Anlage, Studio und
Surround. Der optimale Anschlusswert und die besondere Bassabstimmung prädestinieren die
Nugget für Digital-Verstärker. Daher ist sie auch für Plasma- und LCD-Fernseher bestens
geeignet
Design Studie der Nugget
(Goldklumpen)
Der superlineare
Frequenzgang
Die extrem günstigen
Bauteile
1.1 Die Bauteile
Die Lautsprecher
Die entwickelteWeiche
Gehäuse besteht aus
Stein?
2. Das Team
Von der Technikerschule
Der Praktikant
Der Diplom Ingenieur
Braunschweig, Thomas Mohring,
Jürgen Knoop
Leo Kirchner
Ralf Freymuth und Markus Sievers
.
Ich bedanke mich bei den Mitarbeitern für deren ausgezeichnete Artikel.
Ralf Freymuth mit Grundlagen der Akustk
Thomas Mohring mit Auswahl der Chassis und Thiele-Small
Markus Sievers mit Frequenzweiche
Jürgen Koop mit dem Thiele-Small Rechner Programm
Projektleiter Leo Kirchner
2
3. Das Messsystem ATB PC Pro
Wissen
W1. Grundlagen der akustischen Messtechnik
Bei der Entwicklung der Nugget kommt die neueste Messtechnik zum Einsatz. Alle
Messungen werden mit dem ATB PC Pro durchgeführt. Bei dem ATB PC wird das
Messsignal von einem CD oder DVD Spieler erzeugt. Die Messung wird mit dem PC
durchgeführt, wobei die Soundkarte die Messwerte aufnimmt.
Das ATB PC Pro ist ein Werkzeug für den Entwickler. Daher muss die Durchführung der
Messung so einfach sein, dass sich der Techniker voll auf die Entwicklung konzentrieren
kann. Dies wird durch das selbsterklärende Windows Messprogramm erreicht.
In dem Bild werden SPL, Impedanz mit Phasenmessung und Sprungantwort sowie der Cursor
gleichzeitig gezeigt. Die einzelne Messung ist übersichtlicher.
3
System-correction
Soundcard
MIC
Audio analog out
left
Die Funktion der System-Correction testet den Frequenz- und Phasengang der Soundkarte.
Hierbei werden Korrekturdateien erzeugt, mit denen die hohe Messgenauigkeit erreicht wird.
Messaufbau für akustische Messungen
SPL
Audio analog out
left
CD in
left
Speaker left
Soundcard
MIC
Mit dieser Anordnung werden die SPL (Sound-Pressure-Level) Frequenz- und Phasengänge des
Lautsprechers gemessen.
Messaufbau für elektrische Messungen
Impedance
Audio analog out
left
Soundcard
MIC
So wird die
frequenzabhängige Impedanz mit Betrag und Phase gemessen.
4
4. Die Chassis
Wissen:
W2. Auswahl der Chassis
Der Tief-Mitteltöner W 130 AL8
Lautsprecher W 130 AL8
Aluminiummembran, durch
Nawi-Form resonanzarm
Doppelmagnet,
magnetisch geschirmt
Stahlkorb,
stabil und resonanzärmer
als Gusskorb
Der Hochtöner GRT 85
Air-Motion Hochtöner,
erfunden von Oskar Heil,
bewährt sich seit 20 Jahren
in ESS Boxen
gefaltete Folienmembran
mit aufgedruckten Leiterbahnen, sehr leicht und
daher schnell und neutral
5
Neodymmagnete erzeugen
das starke Magnetfeld für
die präzise Klangwiedergabe
5. Das Gehäuse
Bei der Gehäuseentwicklung sind entscheidend:
1. Die Größe des Gehäuses wird durch das Volumen für den Tieftöner vorgegeben.
2. Die Anordnung der Lautsprecher soll den Phasengang linearisieren.
3. Der Innenaufbau vermeidet stehende Wellen im Gehäuse.
4. Die Öffnung für die Bassreflexabstimmung soll optimal sein.
5. Die Gehäusewände sollen resonanzfrei sein.
6. Ein ansprechendes Aussehen ist wohnraumfreundlich.
5.1 Thiele-Small
Credit: ATB_TS_Tool.zip Thiele-Small Rechner
Wissen:
W3. Thiele-Small Parameter
Das Lautsprechervolumen wird vom Tieftöner bestimmt.
Für die Gehäuseberechnung werden die Thiele-Small Parameter gebraucht.
Die Parameter werden aus zwei Impedanzmessungen, mit und ohne Zusatzmasse, berechnet.
Für die Impedanzmessung wird
der Lautsprecher senkrecht
gehalten oder auf Schaumstoff
gelegt.
Die Masse wird auf ei- Die Masse wird auf der Memer Waage ausgewogen, bran befestigt
Genauigkeit 2 Gramm.
Der Durchmesser wird von Impedanzmessung
haber Sicke bis halber Sicke blau = ohne Masse
ausgemessen
rot.= mit Masse
6
Die Werte werden mit dem
Cursor ausgelesen. Hierbei
sollte gemittelt werden.
Nachdem die Werte in den Rechner eingetragen sind, werden die Lautsprecherparameter
automatisch berechnet. Die gemessenen Parameter entsprechen mit einer geringen
Abweichung den Herstellerangaben.
Zur Berechnung des optimalen Gehäuses werden die Parameter in ein CAD-Programm zur
Gehäuseberechnung eingetragen.
7
Das Volumen ist auf 8 Liter berechnet wurden.
Der berechnete Frequenzgang zeigt eine leichte Überhöhung von 1dB in dem
Frequenzbereich um 100Hz. Dies ist bei kleinen Lautsprechern die gehörmäßig richtige
Abstimmung. Der Vergleich von gemessener (Bild Seite1) und berechneter
Frequenzgangkurve zeigt eine große Übereinstimmung. Mit der tiefen Grenzfrequenz von
42Hz ist die Nugget ein vollwertiger Lautsprecher, der sogar zur Wiedergabe großer
Orchester geeignet ist.
8
5.2 Der Phasenausgleich
Wissen: W4. Die Phase
Bestimmung des Phasenausgleichs für das optimale Zeitverhalten. Der Ausgleich
berücksichtigt die akustischen Zentren der Lautsprecher sowie die Phasendrehung der
Weiche.
Lautsprecher werden
in Probegehäuse
montiert
Die Lautsprecher werden mit
der 6dB pro Oktave
Weiche angeschlossen
Der Hochtöner wird verpolt,
da bei gleicher Phase der
Ausgleich 9cm beträgt
Messung der Phase
1. Position, rot
Der Frequenzgang zeigt
das Verschieben des
Hochtöners
2. Position, blau
3. Position, grün
Die Phase 1. Position rot = nachlaufend
2. Position blau = linear
3. Position grün = vorlaufend
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Der Versatz des Hochtöners wird gehörmäßig mit
dem Pink Noise Signal, Track 7 der Auto-Test
CD, ermittelt. Die Phase stimmt, wenn das
Rauschen zwischen beiden Lautsprechern zu hören
ist. Dann bilden die beiden Lautsprecher
gehörmaßig eine Schallquelle. Der Versatz kann
auf den Millimeter genau bestimmt werden.
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5.3 Die stehenden Wellen
Wissen: W5. Grundlagen der Akustik
Der Schall in einem Raum, hier dem Gehäuse, bildet stehende Wellen oder Moden. Dies sind
Resonanzen der Schallwellen im Gehäuse. Bei Lautsprechern mit steifer Membran haben die
Resonanzen eine Rückwirkung auf den Lautsprecher. Dies bewirkt eine zusätzliche, zeitlich
verzögerte Schallabstrahlung des Lautsprechers und Verfälschung des Klanges.
Die Moden im Gehäuse mit den Abmessungen der fertigen Box. Es wird der Schalldruck
gezeigt, der an den Gehäusewänden sein Maximum hat.
Bei dem Knoten hat die Schnelle das Maximum.
1. Mode bei λ/2
2. Mode, f = 1360Hz
Höhe der Box 25cm
Frequenz der Mode
f=340m/s x 1/0,25 x ½ = 680Hz
Mode in Querrichtung, f = 2,8kHz.
Die Frequenz kann einfach mit
Dämmmaterial auf der Gehäusewand
bedämpft werden.
Messung der Moden in einem Probegehäuse mit den Abmessungen der fertigen Box. Das
Gehäuse wird für die Messung geschlossen.
Mittige Anordnung von
Mikrofon oder Druckgradienten-Empfänger
im Gehäuse
Frequenzanalyse
blau = Messmikrofon ist Druck-Empfänger => geringer
Druck bei 1. Mode, hoher Druck bei 2. Mode
rot = Druckgradienten-Empfänger => hohe Schnelle bei 680Hz
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Die Resonanzen werden durch ein schräges Brett bekämpft.
Anordnung des schrägen
Brettes zur Unterdrückung
der 1. Mode
Messung im Gehäuse
rot = ohne Brett
violett = mit Brett, die 1.Mode ist weg und die Kurve glatter
Die Nahfeldmessung in 1cm vor
der Lautsprechermembran zeigt
die Rückwirkung der stehenden
Welle auf den Lautsprecher
Das Brett wird mit
unterschiedlichen Winkeln
angeordnet. Nur ein Winkel
unterdrückt die Resonanz.
Messung mit 1cm vor dem Lautsprecher
die rote Kurve zeigt deutlich die Resonanz
bei 680Hz
Messung mit 1cm vor dem Lautsprecher
blau, das Öffnen der Bassreflexöffnung verstärkt
die Resonanz. Die schwarze Kurve zeigt den
optimalen Winkel für die Anordnung des Brettes
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Als Weiteres wird die Wirkung gerundeter Seitenwände untersucht.
Das Bild zeigt die Anordnung zur
Messung gerundeter Seitenwände.
Das Gehäuse wird geschlossen.
rot = ohne Brett, blau = mit Brett.
grün = die Rundung bringt keinen Vorteil, aber
durch das kleinere Volumen geht Bass verloren.
Die Verfälschung des Klanges durch die stehenden Wellen entsteht weniger durch den
unausgeglicheneren Frequenzverlauf. Dieser ist nur ein Hinweis auf die zeitverzögerten
Schallanteile.
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5.4 Die Bassreflexabstimmung
Bei der Konstruktion der Bassabstimmung muss Folgendes berücksichtigt werden:
1. Die Öffnung muss sich auf der Front befinden, da sonst eine Aufstellung im Regal nicht
möglich ist.
2. Es sollte kein Rohr verwendet werde. Ein längeres Rohr besitzt Resonanzen im
Mitteltonbereich, die den Klang verschlechtern.
3. Eine Öffnung auf der Front darf keinen Schall im Mitteltonbereich durchlassen.
Hierdurch wird der Klang verwaschen, weil die Schallwellen von der Öffnung verzögert
abgestrahlt werden.
Die bei der Nugget gewählte Konstruktion hat sich schon bei vielen Lautsprechern bewährt.
12,2
17,5
23,5
Der dreieckige Ausschnitt des Brettes wirkt als akustischer Tiefpass. Der Tiefpass wirkt als
Sperre für die Mitteltöne. Zur Vermeidung von Resonanzen im Kanal wird das Brett schräg
gestellt.
Brett mit Winkel
Impedanzmessung zur Abstimmung.
blau = Tieftöner ohne Gehäuse
grün = Brett gerade, Abstimmung zu tief
rot = richtiger Winkel, die Maxima der
Impedanzkurve sind gleich groß
Nahfeldmessung
blau = zwischen Tieftöner
und Öffnung
rot = vor Öffnung
grün = vor Tieftöner
Die Nahfeldmessung zeigt, dass die Kurve der Öffnung das Maximum bei der abfallenden
Flanke der Kurve des Tieftöners hat. Die blaue Kurve bildet die Summe des Schalls von
Tieftöner und Öffnung. Diese ist sehr ausgeglichen. Die Messungen zeigen die optimale
Abstimmung.
Die sehr aufwendige Thiele-Small Theorie ist hilfreich bei der Bestimmung des benötigten
Volumens, aber für die Berechnung der Reflexöffnung noch nicht aufwendig genug.
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5.5 Resonanzarmes Gehäuse
Wissen: W6. Beschleunigungsaufnehmer
Von dem Lautsprecher zu Schwingungen angeregte Gehäusewände verfälschen den Klang
eines Lautsprechers. Deshalb werden auch Gehäuse aus kaum zu Schwingungen anregbaren
Materialien, z.B. Stein, gebaut. Sinnvoller ist aber die Verwendung von Holzgehäusen mit
Versteifungen. Um die Versteifungen an die richtigen Stellen zu setzen, werden die
Schwingungen des Gehäuses gemessen. Hierzu wird ein Beschleunigungsaufnehmer
verwendet. Der Beschleunigungsaufnehmer misst nur die Gehäuseschwingungen. Der Schall
zum Anregen des Gehäuses wird nicht mitgemessen.
Beschleunigungsaufnehmer Mit doppeltklebendem Teppich- Schwingungsmessung der
wird an den Mic-Eingang der band wird der Aufnehmer
Seitenwand
Soundkarte angeschlossen
auf die Seitenwand geklebt
rot = ohne Versteifung
grün = Wand durch das
schräge Brett versteift
Schwingungsmessungen an der Anschlussdose
Befestigung des
Frequenzanalyse, die Spitze bei 50Hz ist eine Netzstörung.
Beschleunigungsaufnehmers rot = Anschlußdose ohne Bedämpfung
an der Anschlußdose
violet = die Rückseite ist mit einer Bitumenplatte bedämpft
blau = die Dose ist mit Acryl-Dichtung eingesetzt.
Anhand der Anschlussdose wird gezeigt, wie wichtig die Messung ist. Die Bedämpfung mit
der Bitumenplatte, was als High End Lösung verkauft wird, bringt wenig.
Bei dem Einkleben mit der Acryl-Dichtung wird die Innenseite der Bohrung für die
Anschlussdose mit einer ca. 5mm dicken Schicht beklebt. Die Dose wird so mit der
Rückwand des Gehäuses verbunden und ist akustisch tot, hat keinen Einfluss auf den Klang
mehr.
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5.6 Die Gehäusekonstruktion
Wissen: W7. Design
24mm
Aus den Entwürfen
entwickelt sich die
Zeichnung
Die Stufe in der Schallwand
ist durch die Rundung
akustische Optimierung
Ø14
Ø13
Ø12
Ø14
4
Ø14
5
3
2
1
Die Lösung mit der Rundung
hat sich auch bei anderen
Lautsprechern bewährt
Die Frontplatte wird aus 8mm dicken Sperrholz zusammengesetzt, damit vom Heimwerker
keine Fräse benötigt wird. Der Tischler baut die Front aus 2 Platten
Gehäusebauplan
11,7
8
Ø6,8
23,95
8,7
Ø7,8
1,6
60°
19,5
29,5
22
17
11,5
1,9
6
15°
9
1,6
Ø12
12
1
12,2
16
26
30
1,2
Als Material für das Gehäuse wird eine 19mm MDF, Birkensperrholz oder Buche-Multiplex
verwendet. Die Materialien sind, bei der Gehäusegröße, akustisch gleichwertig.
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6. Die Weiche
Wissen: W8. Frequenzweiche
6.1 Weichenentwicklung
Eine vorläufige Weiche wurde für die Bestimmung des Phasenausgleichs entwickelt. Für das
endgültige Gehäuse wird die Weiche optimiert.
Bei der Entwicklung wird die
Weiche mit Krokodilklemmen
aufgebaut
Frequenzgänge
rot = Summe
blau = Hochtöner
braun = Tieftöner
Tiefpass für Tieftöner
blau = ohne Weiche
grün = mit Induktivität
rot = mit Saugkreis 1,5μF
braun = mit Saugkreis 1μF
Abstrahlverhalten,
gemessen mit Dauermessung
mit Mitteln, Bereich + 30º
horizontal und vertikal
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Hochpass für Hochtöner
blau = ohne Weiche
rot = mit Kapazität
braun = Vorwiderstand
grün = mit Saugkreis
Impedanzkurve,
mit einem Minimum von
5,4 Ohm einem Phasenwinkel
kleiner als + 45º auch für
kleine Verstärker geeignet
6.2 Weichenplan
0,56mH
5R6
5R6
8,2μF
4R7
1μF
3,3μF
0,68
mH
W 130 AL 8
10μF
0,27
mH
GRT 85
Weichenbauteile:
Spule 0,56mH als Luftspule 1,4mm , Spule 0,68mH und 0,27mH als Luftspule 0,7mm
Kondensator 8,2μF als MKP, Kondensator 1μF, 3,3μF und 10μF als MKT
Widerstände als 5W MOX
Weichenbauteile High End:
Spule 0,56mH als cfc-14Kupfer-Flachbandspule 1,4mm³ Querschnitt
Kondensator 8,2μH als Mundorf MKP- Kondensator 400V
6.3 Platinenlayout und Bestückung
Platinenlayout
Bild der Weiche
Bei der Entwicklung zu beachten:
Die Spulen sind mit max. Zwischenräumen platziert, die Leiterbahnen bestehen aus gut
leitenden Flächen, die Lautsprecher werden an einem Massepunkt zusammengeführt.
Für die Innenverdrahtung wird Lautsprecherkabel mit 1,5mm² verwendet.
Als High End Verbindungsleitungen das Supra Kabel mit der Bezeichnung:
Supra Classic Mini 1.6
Mit 0,01Ω/m ist der Querschnitt wegen der kurzen Längen ausreichend.
Als High End Anschlusskabel empfehlen wir das Supra Rondo 4x2,5.
Die vier Drähte werden kreuzverschaltet, sodass die Induktivität kompensiert wird.
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7. Das Dämmmaterial
Das Dämmmaterial soll bei der Nugget nur die stehenden Wellen im mittleren
Frequenzbereich absorbieren. Es wird nur an den Seitenwänden und unter der Oberwand
befestigt. Der weitere Raum wird nicht ausgefüllt. Dies ist durch die Konstruktion mit dem
schrägen Brett nicht mehr nötig. Der Vorteil der Bedämpfung an den Wänden ist eine
impulsechte Wiedergabe. Wird im Gegensatz hierzu ein Gehäuse z.B. mit Polyesterwatte
ausgefüllt, schwingt die Watte mit und absorbiert Energie, die dann dem Lautsprecher bei der
Impulswiedergabe fehlt.
Das spezielle Dämmmaterial besteht aus locker verbundenen Textilfasern. Es ist
selbstklebend.
Bedämpfungsplan
28X24
mit einem 5cm breiten
Klebestreifen vorn ankleben
Dreiecke
24
28
15
5
3
19
24
8. Zusammenbau
8.1 Vorbereitung der Lautsprecher
Der Tieftöner wird mit einer Dauerdichtung Beim Hochtöner können die Hohlräume in der
für Fenster und Türen, 4x9mm, abgeklebt
Montageplatte mit der Acryl-Dichtung ausgefüllt werden. Hierdurch wird die Platte
akustisch günstiger als eine Metallplatte.
Abgeklebt wird der Hochtöner mit Schaumstoff.
8.2 Gehäuse vorbereiten
Folgende Schrauben werden benötigt:
Lautsprecher:
Panhead Z2-Bits schwarz 4x20, 2,5mm vorbohren
16 Stück
Oder High End: Imbus Holzschraube schwarz 4x25, 3mm vorbohren
Anschlussdose: Spanplattenschraube Senkkopf schwarz 3,5x16, 2mm vorbohren 4 Stück
DasGehäuse wird entsprechend vorgebohrt.
8.3 Befestigen des Dämmmaterials
Das Dämmmaterial wird entsprechend der Zeichnung unter Kapitel 8. Das Dämmmaterial,
zugeschnitten. Die Dreiecke werden an die Seiten geklebt. Das große Stück wird auf der
langen Seite auf einem 5cm breiten Streifen von der Schutzschicht für den Kleber befreit. Das
Stück wird dann U-förmig oben in die Box geklebt, sodass die klebende Fläche nach vorn
zeigt.
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8.4 Montage der Weiche
Die Kabel an der Weiche werden entsprechend der Beschriftung auf der Weiche
gekennzeichnet.
Die Weiche wird mit der Acryl-Dichtung oben auf das mittlere, schräge Brett geklebt.
Die Lage der Weiche in der Box. Gut ist die eingeklebte Anschlussdose zu sehen.
8.5 Einbau der Lautsprecher
Zuerst wird der Hochtöner angelötet. Das Kabel von der Weiche wird abisoliert. Danach wird
es verzinnt. Ebenso werden die Lötfahnen des Hochtöners verzinnt.
Achtung:
Auf die Polung achten. Das gekennzeichnete Kabel an die Lötfahne mit dem roten Draht
verlöten.
Das verzinnte Kabel wird auf die Lötfahne gelegt und die Spitze des Lötkolbens soll so an
Kabel und Lötfahne gehalten werden, dass beide gleichzeitig erwärmt werden. Wenn das
Lötzinn verflossen ist, die Lötspitze wegnehmen und bis zum Erkalten des Zinns das Kabel
festhalten.
Danach wird der Hochtöner festgeschraubt.
Beim Tieftöner wird entsprechend dem Hochtöner vorgegangen.
Das gekennzeichnete Kabel kommt an die Lötfahne mit dem roten Punkt.
Die Anschlussdose wird angelötet, wobei wieder auf + und- geachtet wird. Das
gekennzeichnete Kabel ist +. Die Anschlussdose wird zuerst nur festgeschraubt. Verklebt,
entsprechend der Anleitung unter, Kapitel 6.5 Resonanzarmes Gehäuse, wird sie erst, wenn
der Lautsprecher getestet wurde.
8.6 Testmessung
Die Funktion des Lautsprechers wird am Besten mit einer Frequenzgangmessung getestet.
Wenn der Übergang vom Mittel zum Hochtöner stimmt, ist die Weiche richtig aufgebaut und
die Mittel- und Hochtöner sind richtig angeschlossen.
Das Entscheidende bei dieser Messung ist, dass beide Lautsprecher einen fast gleichen
Frequenzgang zeigen. Der Frequenzgang wird etwas ander aussehen, da der Raum und die
Aufstellung bei der einfachen Messung die Kurve beeinflussen.
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9. Der Hörtest
Ein Lautsprecher kann nicht nur mit Messungen entwickelt werden.
Zur klanglichen Abstimmung musste die Nugget verschiedene Prozesse durchlaufen. Die
gezeigte Weiche entstand erst nach dem Hörtest.
Hilfreich war hierbei, dass die Tests in einem Ladengeschäft mit Kunden aus allen Bereichen
der Akustik, wie einfache Musikhörer, Musiker, Tonmeister, High End Kunden, Entwickler
aus dem Car HiFi Bereich und die Lautsprecherbastler durchgeführt werden konnten. Für die
Hörtests wurde die Weiche für drei Monate außerhalb des Gehäuses platziert. So konnte die
Abstimmung einfach geändert werden.
9.1 Vergleich mit eigenen Entwicklungen
9.2 Vergleich mit Referenzbox
Als Referenzbox wurde eine englische Hi End Box gewählt.
blau = Referenzbox, rot = Nugget
Die Referenzbox ist mittenbetont. Um in Richtung der anerkannten Abstimmung zu gelangen,
wurden die Mitteltonwiedergabe der Nugget etwas lauter gewählt.
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9.3 Test bezüglich Verstärker
Die Entwicklung wurde ist mit dem Sansui Verstärker durchgeführt. Als Signalquelle diente
ein modifizierter TEAC DVD Player.
Bei der weiteren Abstimmung wurden Surroundverstärker sowie der TEAC CD Receiver mit
2x20W verwendet. Die Digital-Verstärker zeigen mit der Nugget ihre volle Leistungfähigkeit.
9.4. Im Wohnraum
.
Die Nugget am LCD-Fernseher im Wohnraum.
23
Wissen
W1. Grundlagen der akustischen Messtechnik
Die SPL, Sound-Pressor-Level Messung zeigt den Frequenzgang des Lautsprechers.
SPL
Audio analog out
left
CD in
left
Speaker left
Soundcard
MIC
W1.1 Messungen im Raum
Die Messung des Schalldruckes eines Lautsprechers über den Frequenzgang SPL
(Schalldruckkurve) sowie der akustische Phasengang und das Impulsverhalten sind akustische
Messungen. Die akustischen Messungen werden im Gegensatz zu den elektrischen
Messungen von den akustischen Eigenschaften der Umgebung beeinflusst. Folgend soll
gezeigt werden, wie der Einfluss des Messraumes verringert werden kann.
Bei der Messung mit dem Pegelschreiber ist diese Trennung nicht möglich. Der
Pegelschreiber, der als Messsignal den Sinus-Sweep benutzt, benötigt einen schalltoten
Messraum. In dem Raum sind die Wände so akustisch bedämpft, dass Reflexionen
unterdrückt werden. Im Tieftonbereich, wo die Abmessung des Raumes im Bereich der
Wellenlänge des Tones liegt, entstehen stehende Wellen, die nicht unterdrückt werden
können. Hier hilft die Schreibgeschwindigkeit des Pegelschreibers als Glättungsfunktion.
Auch im übrigen Frequenzbereich wird durch die Schreibgeschwindigkeit mehr geglättet als
der Entwickler zugibt oder ihm bewusst ist.
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W1.2 Zeitfenster
Da nicht jedem Entwickler ein schalltoter Raum zur Verfügung steht, wurde, um den Einfluss
von Raumreflexionen auf die Lautsprechermessung zu verringern, die FFT-Messung
entwickelt. Bei dieser Messung wird als Messsignal ein Rauschen benutzt, in dem alle
Frequenzen mit gleicher Amplitude enthalten sind. Dies kann ein MLS oder das Signal des
ATB PC Messsystems sein. Bei den Messungen werden Zeitfenster gesetzt, sodass nur der
direkt vom Lautsprecher abgestrahlte Schall gemessen wird. Die verzögert am Messmikrofon
eintreffenden Raumreflexionen liegen außerhalb des Zeitfensters und erscheinen nicht im
Frequenzgang.
Diese auf den ersten Blick ideale Messmethode stellt bestimmte Bedingungen an das
Zeitfenster. Werden diese Bedingungen nicht eingehalten, führt dies zu falschen
Messergebnissen. Die Bedingungen für das Zeitfenster sollen folgend gezeigt werden.
Zum Setzen des Zeitfensters ist immer eine Testmessung erforderlich. Diese Messung ist eine
Impulsmessung, die mit dem MLS-Signal durchgeführt werden kann. Das Messergebnis ist
die Impulsantwort. In der Impulsantwort wird die Amplitude des vom Mikrofon
aufgenommenen Schalldruckes zeitlich dargestellt.
A
t
Das Bild zeigt eine Impulsantwort (Impulse Response) eines Lautsprechers. Auf der y-Achse
wird die Amplitude A und auf der x-Achse die Zeit t dargestellt.
Von der Zeit t = 0 bis zum Anfang der großen Amplitude ist die Laufzeit des Schalles zu
sehen. Die große Amplitude wird über die Zeit immer kleiner und nach einiger Zeit erscheint
eine neue höhere Amplitude. Dieses verzögerte Signal zeigt eine Reflexion. Um die Reflexion
bei der folgenden Berechnung des Frequenzganges auszublenden, wird ein Zeitfenster vom
Anfang des Signals bis zur Reflexion gesetzt. Aus den Messwerten innerhalb dieses
Zeitfensters wird mithilfe der FFT der Frequenzgang des Lautsprechers berechnet.
Unter dem Zeitfenster wird eine Periode einer Sinusschwingung gezeigt.
Für die Auswertung der Impulsantwort mit der FFT bestehen folgende Bedingungen:
1. Die Wellenlänge der niedrigsten auszuwertenden Frequenz kann nur der Länge des
Zeitfensters entsprechen. Je kürzer das Zeitfenster, desto höher die niedrigste Frequenz. In
den Frequenzgangschrieben der teueren Messprogramme wird die Frequenz gezeigt.
2. Die niedrigste auszuwertende Frequenz hat noch weitere Konsequenzen. Sie legt bei der
FFT den Abstand der FFT-Punkte fest. Die FFT-Punkte sind die Frequenzen, für die
Amplitudenwerte berechnet werden. Der Frequenzabstand der FFT-Punkte ist konstant und
hat den Wert der niedrigsten Frequenz. Die Amplitudenwerte der FFT-Punkte bilden die
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Messkurve. Dies bedeutet, dass bei einer niedrigsten Frequenz von z.B. 300Hz auch nur
alle 300Hz ein Amplitudenwert angezeigt wird. Diese geringe Frequenzauflösung lässt eine
Messkurve zwar glatt erscheinen, verfälscht aber das Messergebnis gewaltig.
3. Im Auto werden die Zeitfenster wegen der sofort auftretenden Reflexionen in dem relativ
kleinen Innenraum so kurz, dass keine Zeitfenster benutzt werden können.
Vergleich der Messung ATB PC Messung, blau, mit der üblichen Zeitfenstermessung, rot.
Das vom Messtechniker gewählte kurze Zeitfenster zeigt einen glatten Frequenzgang, der
angeblich durch die Ausblendung der nach kurzer Zeit auftretenden Raumreflexionen
entsteht. In Wahrheit wird der schöne Frequenzgang nur durch die mangelhafte
Frequenzauflösung erreicht.
Diese Verfälschung der Messung wird beim ATB PC durch eine andere Messmethode
vermieden.
W1.3 Die ATB PC Messung für mittlere und hohe Frequenzen
Für mittlere und hohe Frequenzen wird die Dauermessung mit Mitteln benutzt. Bei dieser
Messung wird das Mikrofon langsam in einem Kreis mit dem Radius 10cm bewegt. Hierbei
werden die Raummoden für höhere Frequenzen gemessen und durch das Mitteln der Einfluss
auf die Frequenzgangmessung beseitigt.
W1.4 Die Nahfeldmessung
Für tiefe Frequenzen im Bassbereich wird die Nahfeldmessung benutzt. Die Grundlage für die
Nahfeldmessung ist die physikalische Eigenschaft des Schalls, dass der Schalldruck mit dem
Quadrat der Entfernung abnimmt. Dies bedeutet, dass die Raumreflexionen gegenüber dem
direkten Schall des Lautsprechers einen viel geringeren Schalldruck besitzen. Wird ein
Messmikrofon im Abstand von 10cm vor den Tieftöner gestellt. So ist der direkte Schall um
ein Vielfaches größer als der Reflektierte, sodass nur der direkte Schall gemessen wird. Diese
Messung wird unterhalb von 300Hz durchgeführt und durch eine Messung für den
Frequenzbereich oberhalb von 300Hz ergänzt. Die zweite Messung wird im Abstand von 1m
durchgeführt, um Mittel- und Hochtöner zusammen zu messen. Ein Nachteil der
Nahfeldmessung ist das Bündelungsmaß, eine Überhöhung des Schalldruckes im Nahfeld.
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Dies wird aber im Combine Menü des ATB PC ausgeglichen. Sind im Tieftonbereich mehrere
Schallquellen vorhanden, z.B. Tieftöner und Bassreflexrohr, können beide Schallquellen
durch die Dauermessung mit Mitteln erfasst werden. Hierbei wird das Mikrofon während der
Messung langsam zwischen den Schallquellen bewegt.
Die Nahfeldmessung ist auch bei schalltoten Räumen zu benutzen. Wie schon beschrieben,
besitzt auch der schalltote Messraum eine untere Grenzfrequenz, die die Messung verfälscht.
Außerdem entspricht die Messung im schalltotem Raum auch nicht dem Hörergebnis, da der
Lautsprecher beim Hören auf dem Boden steht und der Tieftöner eine andere Umgebung als
im schalltoten Raum sieht. Der Boden bewirkt eine Anhebung von ca. 3dB für tiefe
Frequenzen, wobei der Frequenzbereich von der Konstruktion des Lautsprechers abhängt.
W1.5 Die Grenzflächenmessung
Bei der Grenzflächenmessung wird das Messmikrofon als Grenzflächenmikrofon betrieben.
Das Mikrofon liegt flach auf dem Boden und besitzt dabei eine Halbkugelcharakteristik.
Das Bild zeigt die Anordnung von
Lautsprecher und Mikrofon.
Die Schallwellen des Lautsprechers treffen
schräg auf den Boden und werden in den
Raum reflektiert. Dies macht sich besonders
im Mittel-Hochtonbereich positiv bemerkbar.
Auch im Tieftonbereich, in dem sich die
Raumresonanzen ausbilden, wird deren
Energie vom Grenzflächenmikrofon nur zur
Hälfte erfasst, sodass sie die Messung nicht
mehr so stark beeinträchtigen.
Wegen der Raumresonanzen gilt auch hier: je
größer der Messraum desto besser.
27
W2. Auswahl der Chassis
Bei der Auswahl der Chassis stand ein Ziel im Vordergrund, modernste Technologie zu einem
bezahlbaren Preis.
Um eine erste Bewertung der Chassis durchführen zu können, sollte der Lieferant ein Bild des
Frequenzgangs und alle erforderlichen Parameter bereitstellen.
Gute Marktkenntnisse und eine sorgfältige Marktbeobachtung vor der Entwicklung bringen
weitere Vorteile.
So fiel zum Beispiel bei der Sichtung von Fachliteratur sofort der Hochtöner GRT 85 auf. Ein
Air Motion Hochtöner mit einem zweistelligen Preis. Früher waren diese Hochtöner nur in
der dreistelligen Preisklasse zu finden. Da dieser Hochtönen konstruktiv und geschichtlich
eine Besonderheit darstellt, wird er im Kapitel Air Motion Hochtöner gesondert dargestellt.
Bei der Auswahl des Tieftöners gab die geplante Gehäusegröße die ersten Parameter vor. Das
Gehäusevolumen sollte unter 10 Liter betragen, damit der Lautsprecher später über
wohnraumfreundliche Dimensionen verfügt, und sich die Aufstellung mehrerer Lautsprecher
für den Surroundbetrieb realisieren lässt. Trotz des kleinen Volumens war es die Vorgabe,
dass der Lautsprecher noch über ein gutes Tiefbassvermögen verfügt. Mit welchen Mitteln
dies erreicht wird, ist im Kapitel 6 Das Gehäuse zu lesen.
Im Programm des Herstellers vom Hochtöner fand sich schließlich auch ein Tieftöner mit
einem Außendurchmesser von ca. 13cm, einer Gehäuseempfehlung des Herstellers von 8
Litern und einem sehr guten Preisleistungsverhältnis. Dieser Tieftöner ist im Kapitel
„Tieftöner“ 5.5.8 näher beschrieben.
Letztendlich stellt sich aber erst bei der Gehäusekonstruktion, der Frequenzweichenentwicklung Kapitel 7 Die Weiche und letztendlichen Hörprobe heraus, ob die beiden
Lautsprecher wirklich zueinander passen.
Doch bevor die einzelnen Chassis näher beschrieben werden, gehen wir noch einmal zur
Theorie.
W2.1 Die ideale Schallquelle
Der Idealfall wäre ein Lautsprecher mit nur einem Lautsprecherchassis, auch Breitbandchassis
genannt, das den gesamten Frequenzbereich des menschlichen Gehörs überträgt. Einige
Hersteller bekommen solch ein Breitbandchassis in Konusform schon mit einem ziemlich
linearen Frequenzgang, einer gleich bleibenden Lautstärke über den gesamten Hörbereich,
hin.
Leider macht uns hier die Physik einen Strich durch die Rechnung. Die gleich bleibende
Lautstärke ist nämlich nur auf der 0°-Achse vorhanden. Bewegt man sich aber nun ein Stück
zur Seite und steht dann im 30°-Winkel zum Lautsprecher, fällt Folgendes auf:
Bis zu einer gewissen Frequenz bleibt die Lautstärke gleich und sinkt dann mit steigender
Frequenz. Das Rundstrahlverhalten des Lautsprechers nimmt oberhalb dieser Frequenz ab, da
der Schall mit steigender Frequenz immer mehr gebündelt wird.
28
Abbildung 2.1
Dies läßt sich anhand des Frequenzgangs Abbildung 2.1 sehen. Die fast gerade durchgehende
Kurve beschreibt die Messung bei 0°, die Mittlere bei 30° und die Untere die Messung bei
60°. Die Kurve ganz unten zeigt die Impedanzmessung auf die aber an dieser Stelle noch
nicht eingegangen werden soll.
Die Frequenz (fmax) bis zu der die Bündelung noch akzeptabel ist, kann berechnet werden. Die
Schallgeschwindigkeit wird durch den effektiven Membrandurchmesser geteilt.
c
f max =
Dd
Nimmt man nun die vom Hersteller angegebene Membranfläche von 38 cm² und errechnet
dann den effektiven Membrandurchmesser Dd von 7 cm, so ergibt sich folgende
Maximalfrequenz.
cm
34300
s
f max =
7cm
f max = 4900 Hz
Oberhalb dieser Frequenz (Abbildung 5.1) nimmt die Lautstärke im 30°-Winkel so stark ab,
dass schon bei 10 kHz eine Halbierung der Lautstärke vorhanden ist.
29
W2.2 Das Zweiwegkonzept
Um ein gutes Rundstrahlverhalten über den gesamten Frequenzbereich zu bekommen, ist es
nötig, den Frequenzbereich auf mehrere Chassis zu verteilen.
Durch den Einsatz einer Frequenzweiche, die aus Hoch- und Tiefpass besteht, wird diese
Aufteilung realisiert. Näheres hierzu ist im Kapitel 15 „Frequenzweichen“ zu lesen.
Bei einem Zwei- oder Mehrweglautsprecher besteht jedoch die Gefahr, dass sich der
Übergang vom Hoch- zum Tieftöner klar hören lässt. Die Wiedergabe des Lautsprechers
verliert stark an Räumlichkeit und Auflösungsvermögen.
Woran liegt das?
Das menschliche Ohr ist in der Lage einzelne Töne sehr genau zu orten. Durch diese
Fähigkeit nimmt der Mensch allerdings auch minimale Schallverzögerungen war. So ist es
uns möglich im Bereich von 500-3000 Hz Schallverzögerungen von ca. 3 hunderttausendstel
Sekunden wahrzunehmen.
Dieser akustische Zeitversatz wird auch als akustische Phasenverschiebung bezeichnet. Eine
bildliche Darstellung dazu befindet sich im Kapitel 17 „Laufzeit, akustische Phase“.
Da bei den meisten Lautsprechern während der Entwicklung nicht auf den akustischen
Phasenverlauf geachtet wird, war die Hauptaufgabe dieser Entwicklung einen phasenrichtigen
Lautsprecher zu entwickeln, bei dem beide Chassis akustisch nicht mehr voneinander
differenziert werden können.
Dies wurde durch den Einsatz von angewandten Wissen und der Messsoftware ATB PC Pro
mit Messequipment der Firma Kirchner Elektronik erreicht.
W2.3 Der Air Motion Transformer
Abbildung 2.2
Abbildung 2.3
Der Air Motion Transformer wurde vom deutschen Physiker Dr. Oskar Heil am Anfang der
siebziger Jahre erfunden. Bekannt wurde Dr. Oskar Heil (Abbildung 2.2) durch die Erfindung
des Feldeffekttransistors (FET), dessen Grundlagen er 1934 zum Patent anmeldete. Vor und
während des 2. Weltkriege arbeitete er an der Entwicklung von Mikrowellenröhren. Später
wurde auch ein Mikrowellengenerator nach ihm benannt.
30
Nach dem Krieg ging er in die Vereinigten Staaten. 1963 gründete er die Firma ESS. Hier
entwickelte er der ersten Air Motion Transformer (Abbildung 23), der 1973 auf dem Markt
kam und noch bis heute produziert wird. Bevor Dr. Oskar Heil mit der Entwicklung des
Hochtöners begann, beschäftigte er sich ausgiebig mit der Funktion des menschlichen Ohrs
und der Schallerzeugung in der Natur.
Abbildung 2.4
Bei den fliegenden Insekten fand er schließlich die Lösung für sein Vorhaben. Diese verfügen
über ein geringes Flügelgewicht und einer besonderen Technik die
Flügel zu öffnen und zu schließen. Sie können durch ihre Flügel fliegen und erzeugen damit
gewollt oder ungewollt Geräusche. Dr. Oskar Heils Patent beschreibt
eine gefaltete Folie ähnlich einer Ziehharmonika mit einer darauf angeordneten Leiterbahn.
Setzt man diese Folie nun einem Magnetfeld aus und legt ein Musiksignal an die Enden der
Leiterbahn so öffnet und schließt sich die Faltung der Membran (Abbildung 2.4) mit der
Geschwindigkeit der angelegten Frequenz.
Abbildung 2.5
Die Membranmasse Mms liegt bei einem Air Motion Hochtöner (Abbildung 2.5) unter 1
Gramm. Durch die Faltung der Membran verfügt er je nach Hersteller und Ausführung über
eine 4 bis 20 mal größere Membranfläche als ein konventioneller Hochtöner ohne Einbußen
31
im Rundstrahlverhalten. Früher waren die Air Motion Hochtöner sehr groß und schwer, da ein
sehr starkes Magnetfeld, und somit große Magneten benötig wurden. Heute lässt sich das
einfacher durch den Einsatz von Neodymmagneten realisieren.
W2.4 Der Tiefmitteltöner
Abbildung 2.6
Die größte Anforderung an den Tiefmitteltöner (Abbildung 2.6) ist die Wiedergabe von sehr
tiefen Frequenzen bei kleinstem Volumen und gleichzeitig einer feinauflösenden
Mitteltonwiedergabe. Dies läßt sich heute durch neue Membranmaterialien, Wissen der
Hersteller und dem richtigen Einsatz im Lautsprechergehäuse realisieren.
Das Membranmaterial
Geht man von einer theoretischen Wunschvorstellung aus, so hat die ideale Membran ein sehr
geringes Gewicht und ist aus einem fast unverwindbaren Material. Diese beiden
Anforderungen werden bei diesem Chassis durch die spezielle Verformung eines dünnen
Bleches aus einer Aluminiumlegierung zu einer Membrane erreicht.
Die Membranform
Bei der Membranform wird heute bei Tieftönern zwischen Konusform und speziellen
Kurvenformen unterschieden.
Während die Konusform nur eine gerade Linie zwischen Spule und Sicke bildet und dadurch
wie ein dünnes Stück Blech zum Schwingen neigt, ist die spezielle Kurvenform wie ein
Bogen, dessen Radius sich auf der gesamten Strecke verändert. Durch diese Form bekommt
die Membran eine extrem hohe Stabilität, die vergleichbar mit der Stabilität eines Eis ist.
Diese Membran wird Nawi-Menbran, von nicht abwickelbar, genannt.
Der Doppelmagnet mit Schirmung
Durch einen Kompensationsmagnet und einer magnetische Abschirmung durch einen
Blechkorb ist auch eine Aufstellung direkt neben einer Bildröhre möglich.
Der Stahlkorb
Der Korb bildet die äußere Verbindung zwischen der Antriebseinheit des Lautsprechers und
der Membran beziehungsweise der Sicke. Der Korb sollte über eine sehr hohe Stabilität
verfügen und dadurch sehr schwingungsarm sein.
32
Die Chassisparameter des Tieftöners
Mechanische Parameter:
Außendurchmesser: 147 mm
Schallwandöffnung: 128 mm
Befestigungslochkreis: 137 mm
Einbautiefe: 77 mm
Thiele-Small-Paramter:
Freiluftresonanzfrequenz: fs = 44 Hz
Effektive Membranfläche: Sd = 85 cm²
Dynamische Masse: Mms = 9,8 g
Äquivalentvolumen: Vas =13,4 l
Mechanische Güte: Qms = 1,75
Elektrische Güte: Qes = 0,42
Gesamtgüte: Qts = 0,34
Schalldruck: 88 dB (1W;1m)
Abmessungen der Schwingspule
Durchmesser: 26mm
Höhe: 10mm
Lineare Auslenkung: ±2mm
Elektrische-Parameter
DC-Widerstand: RDC = 6,14 Ω
Impedanz: Z = 8 Ohm
Nennbelastbarkeit: Pn = 70 W
Äußere Abmessungen
Die ersten Parameter beschreiben die Ausmaße und die Befestigung des Chassis.
Außendurchmesser des Chassis
Hierbei muss beachtet werden, dass es sich lediglich um die rein mechanische Abmessung des
Lautsprecherkorbes handelt. Der Außendurchmesser lässt keinen Rückschluss auf die
Membranfläche zu.
Durchmesser der Schallwandöffnung
Dieses Maß sollte beim Bau möglichst genau eingehalten werden, da es einen Einfluss auf die
Auflagefläche des Lautsprecherkorbes im eingebauten Zustand und somit auf die
Kräfteverteilung zwischen Lautsprecher und Gehäuse hat.
Befestigungslochkreis
Durch einen ordentlich aufgezeichneten und vorgebohrten Lochkreis läßt sich das Chassis
einfach in die gewünschte Position bringen. Wichtig dabei ist, dass der Befestigungslochkreis
angezeichnet wird, bevor man mit den Aussägen der Schallwandöffnung beginnt, da sonst der
Mittelpunkt für den Zirkel fehlt. Bei der Befestigung des Chassis ist darauf zu achten, dass die
Schrauben diagonal angezogen werden, damit es nicht zu Verspannungen im Chassis kommt.
Einbautiefe
Die Einbautiefe bestimmt den kleinstmöglichen Abstand zwischen der Außenseite der
Frontplatte und Innenseite der Rückwand, wenn der Lautsprecher frontseitig eingebaut wird.
33
W3. Thiele-Small-Paramter
Nach den mechanischen Parametern kommen wir nun zu den wichtigsten Parametern, den so
genannten Thiele-Small-Parametern. Dazu noch kurz etwas Geschichtliches. Im Jahr 1930
wurde bereits der erste Bassreflexlautsprecher patentiert. Das Patent für einen geschlossenen
Lautsprecher, basierend auf dem Prinzip einer Luftfeder, folgte 1944.
Der Bassreflexlautsprecher hatte lange Zeit den Ruf von etwas Mystischen, da es keinerlei
Berechnungsgrundlage für diese Gehäuseart gab. Um den Wirkungsgrad der
Bassreflexöffnung zu ermitteln, stellte man beispielsweise brennende Kerzen vor die
Öffnungen.
Erst durch die wissenschaftliche Arbeit des Australiers Neville Thiele von 1961 und den
späteren Ergänzungen des Amerikaners Richard Small im Jahr wurden die Grundlagen für die
Lautsprecherberechnung gelegt. Beide führten langwierige Versuchsreihen durch und stellten
mathematische Zusammenhänge auf.
Heute sind die Thiele-Small-Parameter in der Lautsprecherindustrie anerkannt und schaffen
eine Vergleichbarkeit von Lautsprecherchassis.
W3.1 Die Freiluftresonanzfrequenz fs
Die Freiluftresonanzfrequens ist die Frequenz, bei der nicht nur die beweglichen (Membran,
Kalotte, Schwingspule und Teile der Aufhängung) sondern auch einige der normalerweise
feststehenden Teile, wie z.B. der Korb, zum Mitschwingen angeregt werden. Da sich die
Steifigkeit der Zentrierspinne und der Sicke in der ersten Zeit noch verändern, sollte die
Freiluftresonanz an einem eingespielten Chassis ermittelt werden.
Bei dieser Messung wird das Chassis komplett von seiner Umgebung mechanisch entkoppelt,
die Hersteller treiben hierbei einen erheblichen Aufwand.
Fast exakt kann dieser Wert auch bestimmt werden, wenn das Chassis auf einigen Lagen
Lautsprecherdämmwatte liegt.
W3.2 Die effektive Membranfläche Sd
Um diese Fläche zu berechnen, wird zuerst der effektive Membrandurchmesser Dd in cm
bestimmt. Er besteht aus dem Durchmesser der Membran und der Hälfte der
mitschwingenden Randaufhängung. Oder einfacher gesagt der Abstand vom höchsten Punkt
der Sicke zum gegenüberliegende höchsten Punkt der Sicke.
Die Hälfte dieses Wertes wird nun quadriert und dann mit π multipliziert.
2
⎛ Dd ⎞
Sd = ⎜
⎟ ×π
⎝ 2 ⎠
W3.3 Die dynamische Masse Mms
Aus der Summe aller Massen, die beim Betrieb des Lautsprechers in Bewegung gesetzt
werden müssen, errechnet sich die dynamische Masse. Hierzu zählen die Masse der
Membran, Staubschutzkalotte, Spule und Spulenträger sowie anteilig die Masse der Sicke und
Zentrierspinne und die Luftmasse in Membrannähe.
34
W3.4 Das Äquivalentvolumen Vas
Ist das Volumen, das wenn es 1m³ komprimiert wird, die gleiche Kraft aufbringt wie die
Federkraft des Lautsprechers.
Durch diesen vom Hersteller vorgegebenen Wert lassen sich schon einige Berechnungen
durchführen. Zum Beispiel kann die Resonanzfrequenz des Lautsprecherchassis im
eingebauten Zustand fc durch folgende Formel ermittelt werden. Neben fs und Vas muss nur
noch das Volumen Vb des geplanten Lautsprechers eingegeben werden.
fc = f s
Vas
+1
Vb
Auch andere wichtige Parameter, wie z.B. der Qtc des Lautsprechers lassen sich damit
ermitteln.
W3.5 Die Compliance der Aufhängung Cms
Die mechanische Nachgiebigkeit der Aufhängung nennt man Compliance (engl. Befolgung),
sie wird in mm pro Newton angegeben. Durch Vermessung kann der Wert für Cms ermittelt
werden.
Die Hersteller geben diesen Wert nicht immer an, er lässt sich aber auch mithilfe der
dynamisch bewegten Masse (Mms) und der Freiluftresonanz (fs) berechnen.
C ms =
1
(2π × f s ) 2 × M ms
W3.6 Die mechanische Güte Qms
Qms beschreibt die Güte der mechanischen Kontrolle der sich bewegende Teile des
Lautsprecherchassis bei Erreichen der Resonanzfrequenz. Die mechanische Kontrolle ist
durch die Zentrierspinne und die Sicke gegeben.
Qms lässt sich wie folgt berechnen:
Qms =
2π × f s × M ms
Rms
W3.7 Die elektrische Güte Qes
Elektrisch werden die sich bewegenden Teile des Lautsprecherchassis bei Erreichen der
Resonanzfrequenz durch das Zusammenwirken von Spule und den Magnet kontrolliert.
Qes =
2π × f s × M ms × Rdc
BI 2
Wobei Rdc der Gleichstromwiderstand der Spule, B die magnetische Flussdichte und I die
wirksame Breite des Magnetfeldes ist.
35
W3.8 Die Gesamtgüte Qts
Sie errechnet sich aus den Werten von Qms und Qes wie folgt
Qts =
Qms × Qes
Qms + Qes
Über die Werte Qts, Vas und Vb ist es nun möglich, die Güte des Chassis im eingebauten
Zustand Qtc mit folgender Formel zu bestimmen.
Abbildung 3.1
Der Qtc Wert (Abbildung 3.1) ist eine maßgebliche Aussage über den Frequenzgang im
Bereich der Resonanzfrequenz des Chassis. Er zeigt das Verhalten im eingebauten Zustand.
Stellt man die Formel einfach um, kann so das benötigte Lautsprechervolumen bei einem
bestimmten Tiefbassverhalten ermitteln.
Vb =
Vas
⎛ Qtc
⎜⎜
⎝ Qts
2
⎞
⎟⎟ − 1
⎠
Mit einem beispielsweise ausgewählten Qtc von 0,707 lässt sich nun folgendes Volumen Vb
für einen geschlossenen Lautsprecher berechnen.
Vb =
13,4l
2
⎛ 0,707 ⎞
⎜
⎟ −1
⎝ 0,34 ⎠
36
Vb =
13,4l
2
⎛ 0,707 ⎞
⎜
⎟ −1
⎝ 0,34 ⎠
Vb = 4,0l
Durch das errechnete Volumen Vb kann nun noch einmal die passende Resonanzfrequenz des
eingebauten Chassis fc ermittelt werden.
fc = fs
Vas
+1
Vb
f c = 44 Hz
13,4l
+1
4,0l
f c = 92 Hz
Auf den Gleichstromwiderstand RDC und die Impedanz Z wird im Kapitel W8.
Frequenzweichen eingegangen.
Die Nennleistung Pn bleibt bei dieser Entwicklung unbeachtet, da sie hier eine untergeordnete
Rolle spielt. Die meisten Chassis sind heute so leistungsfähig, dass man sie fast nur noch
mutwillig zerstören kann.
37
W3.9 Gehäusevarianten
Warum ein Gehäuse?
Um zu verhindern, dass die von der Membranbewegung ausgelöste Luftbewegung, und der
damit entstehende Unterdruck und Überdruck, nicht sofort wieder ausgeglichen wird,
(Abbildung 3.2, akustischer Kurzschluss) muss man die Vorderseite und die Rückseite der
Membran durch eine Wand, im Idealfall ist dies eine unendliche Schallwand, voneinander
trennen. Da dies nicht praxisgerecht ist, faltet man diese Wand einfach zu einer Box
zusammen, die sich hinter der Membran schließt. So kann sich die Luft ebenfalls nicht wieder
ausgleichen, da der Weg, durch die geschlossene Box, ebenfalls unendlich lang ist.
Abbildung 3,2
Im weiteren Verlauf zeigen die blauen Pfeile immer die Kräfte oder Bewegungsrichtungen an.
Die Membranen sind immer rot dargestellt.
Gehäuseformen
Es gibt zum einen verschiedene Gehäuseformen z.B. rund, viereckig, dreieckig. Sie werden
nach ihrer Bauform unterschieden.
Zum anderen gibt es verschiedene Wirkungsweisen. Es gibt zum Beispiel geschlossene,
Bassreflex, Transmissionline und Horn-Gehäuse.
Wir gehen an dieser Stelle nur auf die zwei verbreitesten Arten ein. Diese sind Bassreflex und
geschlossene Gehäuse.
38
Geschlossene Gehäuse
Abbildung 3.3
Die eingeschlossene Luft in einem geschlossenen Gehäuse wirkt auf die Membran des
Lautsprechers wie eine Feder (Abbildung 3.3). Je größer das Volumen der Box, desto weicher
ist diese Feder. Zusammen mit der Masse der Membran bildet sich eine Resonanzfrequenz,
bei der ein geringer Energieaufwand zur Erzeugung eines Tones nötig ist.
Bassreflex
Abbildung 3.4
In einer Bassreflexbox gibt es zusätzlich zum Volumen im Lautsprecher, das auch hier wie in
einer geschlossenen Box als Feder fungiert, noch ein weiteres Volumen und somit eine
Verlängerung dieser Feder (Abbildung 3.4). Diese befindet sich im Bassreflexrohr. Sie wirkt
zusammen mit der Luft, die außerhalb der Box ist, wie ein Gegengewicht zur
Lautsprechermembran. Diese Masse-Feder-Membranmasse Kombination, hat zwei
Resonanzfrequenzen, da sich an den Enden der Feder zwei unterschiedliche Massen befinden.
39
W3.10 Berechnung der Gehäusegröße
Abbildung 3.5
Zur Berechnung der Gehäusegröße nahmen wir ein Simulationsprogramm, in diesem Fall
„Win ISD pro alpha“ (Abbildung 3,5). An dieser Stelle möchten wir darauf hinweisen, dass es
noch eine ganze Reihe verschiedener Simulationsprogramme gibt.
Gehäusegröße
Daraus ergab sich eine Gehäusegröße von 7,04 Litern bei einer Bassreflexabstimmung von
53,8 Hz. Die Breite des Gehäuses wurde durch den Durchmesser des Tieftöners vorgegeben.
Die Höhe sollte Platz für eine Bassreflexöffnung, den Tieftöner und den Hochtöner bieten.
Die Tiefe ergab sich dann aus dem benötigten Volumen. Aufgrund all dieser Parameter
wurden für das Versuchsgehäuse folgende Außenmasse festgelegt, Höhe 30cm, Tiefe 28cm,
Breite 16cm.
40
W4. Die Phase
W4.1 Grundlagen
Die Phase wird bei der Beschreibung von sinusförmigen Vorgängen wie mechanischen
Schwingungen, Wechselstrom, Funkwellen und Schallwellen.
U
ωt
α
U(t) = Us cos (ωt+α)
t Zeit, U(t) Augenblickswert der Spannung, Us Scheitelwert (max. Amplitude),
f Frequenz, T = 1/f Periodendauer, ω = 2π f = 2π/T Kreisfrequenz,
α Nullphasenwinkel
Der Phasenwinkel α tritt schon in der Grundgleichung auf. Dort wird er willkürlich durch
einen Bezugspunkt, die Zeit 0, gesetzt. Bei zwei oder mehr Schwingungen, die z.B. bei
akustischen Signalen vorliegen, ist der Phasenwinkel für die Beschreibung der Messung
wichtig.
U
U1
U2
ωt
ϕ
α
U(t) = Us1 cos(ωt+α) + Us2 cos(ωt+α+ϕ)
Der Winkel ϕ bestimmt, wie sich die Schwingungen überlagern.
41
Beispiele für den die Auswirkung des Winkels ϕ auf die Schwingung:
ϕ = 180° => Auslöschung
U
U1
U2
ωt
ϕ
ϕ = 0°, 360° => maximale Verstärkung
U
U2
U1
ωt
ϕ = 90°, 270° => teilweise Verstärkung oder auch als teilweise Auslöschung
U
U2
U1
ωT
42
W4.2 Die Phase beim Lautsprecher
Auch bei einem Lautsprecher gelten die Grundlagen der Physik. Zu einer richtigen
Beschreibung des abgestrahlten Schalldruckes gehören die Amplitude und die Phase. Die
übliche Theorie, dass im Frequenzgang die Phase zu erkennen ist, ist falsch. Dies ist nur bei
einfachen elektrischen Schaltungen gegeben. Bei einem Lautsprecher verhindert die sehr
aufwendige Übertragungsfunktion, die auch noch Laufzeiten enthält, eine Phasenerkennung
aus dem Amplitudenfrequenzgang. Eine Box mit absolut ausgeglichenem Frequenzgang kann
extreme und damit hörbare Phasensprünge besitzen.
Eine übliche Praxis zur Erkennung der Phasenbeziehung beim Lautsprecher ist folgende. Um
zwischen zwei Einzellautsprechern, beim Übergang z. B. vom Mitteltöner zum Hochtöner die
Phasenbeziehung aus dem Frequenzgang zu erkennen, wird die Weiche so konstruiert, dass
eine maximale Auslöschung zwischen den beiden Lautsprechern entsteht. Wenn nach dem
Verpolen eines der beiden Lautsprecher der Frequenzgang ausgeglichen ist, stimmt auch die
Phasenlage. Hierbei liegen die Phasen aber meistens 180°, 360° oder 540° auseinander und
das Einschwingverhalten ist schlecht.
Außerhalb der Trennfrequenz bringt die Methode keinen Erfolg. Dies soll das folgende
Beispiel zeigen.
ϕ
180°
90°
-90°
A
B
f
-180°
Das Bild zeigt das Phasenverhalten von Tief- und Hochpass
A = entsprechend der oben beschriebenen Methode ermittelte Phase von 180°
B = Phasenwinkel von 270°. Bei diesem Winkel löschen sich die Schallanteile von Mittelund Hochtöner teilweise. Ein Verpolen der Lautsprecher zeigt den gleichen
Frequenzgang, sodass der Fehler bei der Weichenentwicklung auf die übliche Art
nicht entdeckt wird. Da bei einem Phasenwinkel von 90° oder 270° die einzelnen
Lautsprecher zu laut sind, entsteht ein nerviger Klang. In diesem Fall ist die übliche
Frequenzgangmessung ohne Aussage.
Etliche Untersuchungen zeigen, dass ein ausgeglichener Phasenfrequenzgang für eine
natürliche Klangwiedergabe zwingend notwendig ist.
43
W4.3 Darstellung der Phase
Die grafische Darstellung der Phase in einem Plot erfolgt in dem Winkelbereich von
-180º bis 180º. Dieser Bereich ist für die Phasendrehung nicht ausreichend. Ein größerer
Bereich für den Winkel verschlechtert die Darstellung durch fehlende Auflösung in der yAchse.
900°
720°
540°
360°
180°
0°
-180°
-360°
-540°
Das Bild zeigt die reale Phase (rote Kurve) und die Darstellung (schwarze Kurve).
Die Sprünge in der dargestellten Kurve sind keine Phasensprünge, sondern entstehen bei der
Darstellung. Dies führt besonders bei der akustischen Phasenmessung zu Fehlinterpretationen,
wenn der Phasenwinkel in dem Bereich um 180º oder -180º liegt. Dann springt die Kurve
zwischen den Werten. Die blaue Kurve zeigt einen verpolten Lautsprecher.
44
W4.4 Elektrische Phasenmessung
Bei der elektrischen Messung wird z.B. die Phase einer Lautsprecherimpedanz gemessen.
Diese Messung ist für den störungsfreien Betrieb des Lautsprechers notwendig. Große
Phasenwinkel zeigen ein kapazitives oder induktives Verhalten der Lautsprecherimpedanz.
Die Folge ist eine Überlastung des Verstärkers. Ebenso kann der Verstärker instabil werden
und Schwingungen erzeugen.
Nachdem eine System-Correction vorhanden ist, wird der Lautsprecher an die Klemmen der
Testbox angeschlossen. Mit der Schaltfläche IMPEDANCE wird von der
Frequenzgangmessung auf die Impedanzmessung umgeschaltet und die Phasenmessung
aktiviert. Bei der Phasenmessung wird ELECTRIC gewählt.
Bei der Phasenmessung zeigt sich die Qualität von Soundkarte sowie CD/DVD Spieler. Für
Frequenzen > 5kHz kann die Messung falsch sein. Dies zeigt sich an der zu negativen
Winkeln abfallenden Kurve.
Bei der Messung der Impedanz eines Lautsprechers sollte kein Lärm vorhanden sein. Der
Lärm kann die Messung verfälschen, da der Lautsprecher bei der Impedanzmessung wie ein
Mikrofon wirkt.
W4.5 Akustische Phasenmessung
Bei der akustischen Phasenmessung muss die Laufzeit des Schalls vom Lautsprecher zum
Mikrofon berücksichtigt werden. Beim ATB PC pro wird die Laufzeit automatisch durch die
Berechnung der Nullphase kompensiert.
Bei den Messsystemen, die mit dem MLS-Signal arbeiten, wird die Laufzeit automatisch
ermittelt oder vom Bediener eingestellt. Dies erfolgt über das Setzen eines Zeitfensters. Der
Anfang des Zeitfensters bestimmt die Laufzeit des Schalls.
A
t
Das Bild zeigt die Messung zum Setzen des Zeitfensters. Aus dem MLS-Signal wurde der
Impuls berechnet. Die Zeit vom Anfang der Zeitachse bis zum Impuls ist die Laufzeit des
Schalls. Der erste Teil des Impulses wird von den höchsten Frequenzen des zu messenden
Signals gebildet. Die höchsten Frequenzen werden sehr oft verzögert wiedergegeben, z.B. bei
45
einem Einzellautsprecher, der eine Tiefpassfunktion besitzt. Bei Lautsprecherboxen mit
mehreren Einzellautsprechern hat der Hochtöner eine vorlaufende Charakteristik, sein Signal
kommt zu schnell. Die Ausnahme sind die zeitrichtigen Lautsprecher. Bei all den anderen
Lautsprechern wird durch das Setzen des Zeitfensters als Bezugspunkt für die Nullphase die
verzögerten oder vorlaufenden höchsten Frequenzen benutzt. Deswegen ist die Darstellung
der akustischen Phase falsch.
Wenn diese falschen Darstellungen auch noch als Argument gegen die akustische
Phasenmessung benutzt werden, zeigt dies den Mangel an Fachwissen.
Durchführung der Messung
Die akustische Phasenmessung von einem Lautsprecher kann nur in ruhigen Räumen
durchgeführt werden. Sie ist nicht so unempfindlich gegenüber Störspannungen wie die
Frequenzgangmessung. Starke Reflexionen im Messraum verfälschen ebenfalls das Ergebnis.
Bei kleinen Räumen sollte der Abstand nicht > 0.5m sein.
Die Messung sollte mit der Dauermessung durchgeführt werden.
Da die automatische Phasenberechnung hoch komplex ist, kommt es zu Fehlanzeigen.
Neben der Schaltfläche für die Phase befindet sich eine Einstellmöglichkeit zur Unterstützung
der Messung. Hier wird bei der laufenden Dauermessung einer der drei Bereiche
gewählt. Der richtige Bereich ist gefunden, wenn die Phasenkurve sich nicht ändert.
Bei der Messung kann es zu Fehlanzeigen kommen. Dies wird an der sehr zerstückelten
Kurve sofort erkannt. Ist die Kurve im Bereich der hohen Amplitude ausgeglichen, kann auf
eine richtige Messung geschlossen werden. Bei der getrennten Messung von Lautsprechern
kann nur der Verlauf der Phase verglichen werden. Phasenunterschiede von 180° können vom
Programm nicht immer richtig ermittelt werden. Bei der gemeinsamen Messung der
Lautsprecher ist die Zuordnung aber wieder richtig.
Da die Abstandsmessung beim ATB PC nicht benötigt wird, kommt jeder Messtechniker zum
gleichen Ergebnis.
46
W5. Grundlagen der Akustik
W5.1 Grundbegriffe
Hören
Schwingungen, die wir mit dem menschlichen Ohr wahrnehmen, werden als Schall
bezeichnet. Diesen Vorgang nennt man hören.
Schall
Physikalisch gesehen ist Schall eine Welle. Genauer sind das Schwingungen von Molekülen
in einem Medium, die sich wellenförmig ausbreiten. Diese Schallwellen können sich in Luft,
Wasser oder auch festen Gegenständen fortbewegen.
Schallausbreitung
Schallausbreitung ist eine Druckveränderung in der Luft. Hierbei stoßen sich die einzelnen
Moleküle gegenseitig an und breiten sich aus. Schall ist ein permanenter Wechsel der
Druckverhältnisse. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beträgt in der Luft bei
Zimmertemperatur ungefähr 343 m/s (Meter in der Sekunde). Schallwellen, die auf eine glatte
Ebene treffen, werden zum Teil reflektiert.
Schalldruck oder auch Lautstärke
Der Mensch empfindet den Schalldruck oder Schallpegel als Lautstärke. Je höher der Druck,
desto lauter der Ton. Auch der Abstand zwischen Ohr und Schallquelle verändern die
empfundene Lautstärke, je weiter die Schallquelle entfernt sie ist, desto geringer ist die
empfundene Lautstärke.
Die Lautstärke eines Tones drückt sich im Schalldruck (oder im Schallpegel) aus. Sie wird in
der Physik in der Einheit Dezibel (dB) bzw. beim menschlichen Ohr als dB(A) angegeben.
Dabei liegt die Schmerzgrenze des menschlichen Ohres bei 120 bis 130 Dezibel. Zum
Vergleich: Blätterrauschen wird mit 10 Dezibel gemessen, eine normale Unterhaltung mit 50
Dezibel und ein Düsenjet beim Start mit 125 Dezibel.
Eine Zunahme um 10 dB(A) bedeutet bei hohen Schallpegeln, dass das Ohr die Lautstärke
doppelt so laut empfindet.
Was ist die Frequenz?
Die Anzahl der Druckänderungen (in der Luft oder einem anderen Medium) pro Sekunde
wird Frequenz genannt. Die Einheit hierfür wurde in Hertz (Hz) festgelegt.
In einem Medium, wie zum Beispiel Luft, bewegen sich nicht die Moleküle selbst mit
Schallgeschwindigkeit fort, sondern nur ihre Schwingung (Frequenz) ähnlich wie die "Welle"
in einem Fußballstadion. Der hörgesunde Mensch kann einen Bereich von 20 bis 20000Hz
hören. Im Alter nimmt dieser Frequenzbereich ab. Schall mit niedriger Frequenz als 16Hz
wird als Infraschall, Schall mit höherer Frequenz als 20000Hz als Ultraschall bezeichnet.
Aufbau des Ohrs
Das Ohr besteht aus Außen-, Mittel- und Innenohr. Die Schallwellen gelangen durch den
Gehörgang zum Trommelfell und regen dies zu Schwingungen an. Im Mittelohr werden diese
Schwingungen durch Hammer, Ambos und Steigbügel verstärkt und zum Innenohr
weitergeleitet. Dort regen verschiedene Töne an unterschiedlichen Stellen in der
Gehörschnecke die Haarzellen an, die diese Information durch die Gehörnerven an das Gehirn
weiterleiten. Durch Überlastung werden die Haarzellen zerstört. Das Ohr bzw. die
Ohrmuschel und der Gehörgang sind so gebaut, dass Töne der Frequenz 3000 Hz maximal
verstärkt werden.
47
Schallerzeuger
Als Schallerzeuger bezeichnet man alles, was die Luft zum Schwingen anregt, z.B.
Instrumente, Lautsprecher und die Stimme.
Ton
Hörbare, gleichmäßige Schwingung.
Klang
Zusammenklingen mehrerer Töne. Bei der E-Saite eines Kontrabasses sind das z.B. der
Grundton mit 44 Hz und die dazugehörigen Obertöne (Frequenzvervielfachungen) mit 88 Hz,
132 Hz usw. Die Lautstärke der einzelnen Obertöne ist abhängig vom Klangkörper des
Instruments und bildet so den Klangcharakter.
48
W5.2 Die stehende Welle
Es ist im Allgemeinen bekannt, das sich in einem Gehäuse, in dem sich Schallwellen durch
die Bewegung der Luftmoleküle ausbreiten, auch immer, bei einer bestimmten Frequenz, eine
so genannte stehende Welle auch Mode genannt ausbildet. Es gibt zwei Arten diese
darzustellen.
Das Schnellemaximum
Abbildung 5.1
Die stehende Welle als Schnellemaximum (Abbildung 9.1) bedeutet, dass die größte
Geschwindigkeit als das Maximum der Welle angegeben wird.
Abbildung 5.2
In Abbildung 5.2 sind die horizontale und die vertikale Welle eingezeichnet.
49
Das Druckmaximum
Abbildung 5.3
Die stehende Welle als Druckmaximum (Abbildung 5.3) bedeutet, dass der größte Druck als
Maximum der Welle angegeben wird.
Abbildung 5.4
In Abbildung 5.4 sind die horizontale und die vertikale Welle eingezeichnet.
50
Die Frequenz
Die Frequenz dieser stehenden Welle läßt sich durch folgende Formel bestimmen:
f = 340 m/s • ((1 ÷ Weg in Meter) • ½)
Für einen Wandabstand im Gehäuse von ungefähr 25cm bedeutet das:
f = 340 m/s • ((1 ÷ 0,25) • ½)
Daraus folgt:
f = 680 Hz
Für diesen Lautsprecher bedeutet es, dass die Luft bei dieser Frequenz von 680Hz eine
Resonanz bildet. Diese Resonanz hat eine Rückwirkung auf die Membran, die eine
zusätzliche, zeitlich verzögerte Schallabstrahlung bewirkt. Eine solche Schallabstrahlung
sollte unterbunden werden, da sie Töne erzeugt, die nicht zum eigentlichen Klangbild
gehören.
51
W5.3 Schall im Gehäuse
Um die Verhältnisse im Gehäuse zu verdeutlichen, werden im Folgenden einige vereinfachte
Modelle aufzeigt, mit denen wir versuchen die Bewegung von Luftmolekülen im Gehäuse
darzustellen.
Abbildung 5.5
Im ersten Modell (Abbildung 10.1) sind die Luftmoleküle als kleine runde Kreise dargestellt.
Die Moleküle sind chaotisch angeordnet, so wie sie sich in der Natur verhalten. Die blauen
Pfeile an den Molekülen geben durch ihre Länge die Schnelle und durch ihre Ausrichtung die
Bewegungsrichtung an. In der Summe addieren und subtrahieren sich alle Kraftpfeile durch
ihre Länge und Richtung zu null: Thermisches Gleichgewicht.
52
Abbildung 5.6
Für unsere Betrachtung wurde ein vereinfachtes Modell gewählt (Bild 5.6). Unter dem
Lautsprecher ist in ein Koordinatenkreuz dargestellt. Auf der X-Achse ist der Weg durch den
Lautsprecher und auf der Y-Achse ist der Druck im Lautsprecher angegeben.
In der Abbildung 5.6 ist der Abstand zwischen den Luftmolekülen überall gleich. Der
Abstand zwischen den Molekülen gibt hierbei auch den Druck an dieser Stelle an.
53
Sprung im Gehäuse
Abbildung 5.7
Wie nun in der Abbildung 5.7 zu erkennen ist, startet die Modellreihe mit einem Sprung.
Hierbei wird die Membran in das Gehäuse gedrückt. Im ersten Moment resultiert daraus nur
ein Druckanstieg. Dieser ist hier als blaue Spitze auf der X-Achse zu erkennen.
54
Abbildung 5.8
Im nächsten Schritt wandert jetzt dieser Sprung durch das Gehäuse. Hierbei stoßen sich die
beschleunigten Luftmoleküle im Gehäuse gegenseitig an und übertragen so ihre Energie.
Dabei kommt es zu einer Verdichtung an dieser Stelle. Nach dem Sprung fällt der Überdruck
bei länger werdendem Weg ab.
55
Abbildung 5.9
Wie man auf der Abbildung 5.9 erkennen kann, ist der Druck am Anfang des Gehäuses
wieder null. Der Sprung wandert weiter.
56
Abbildung 5.10
An dieser Stelle passiert das für eine stehende Welle Entscheidende (Abbildung 5.10). Die
Masse der beschleunigten Luftmoleküle ist noch nicht zur Ruhe gekommen und bewirkt
durch ihr Weiterwandern, dass sich am Anfang des Gehäuses ein Unterdruck bildet. Diesen
Vorgang nennt man Überschwingen. Bei einer Stehenden Welle ist dieses Überschwingen
maximal.
57
Abbildung 5.11
Die Frequenz gibt vor, ob zu diesem Zeitpunkt die Membran des Lautsprechers ausschwingt
(Abbildung 5.11). Für eine stehende Welle ist dieses nötig, denn nun erzeugt dieses
Ausschwingen zusätzlich, zum durch das Überschwingen hervorgerufenen Unterdruck, einen
weiteren Unterdruck.
58
Abbildung 5.12
In der Abbildung 5.12 ist zu erkennen, dass sich nun auch dieser Sprung durch das Gehäuse
bewegt. Zusätzlich kommt die Reflexion des ersten Sprunges zurück. Die Grafik wurde
hierbei vereinfacht, denn die Bewegungen der Luftmoleküle wurden in den Abbildungen 5.7
bis 5.11 dargestellt.
59
Abbildung 5.13
Die sich entgegenlaufenden Sprünge kommen sich näher, wobei die Drücke am Anfang und
am Ende des Gehäuses kleiner werden (Abbildung 5.13).
60
Abbildung 5.14
An dieser Stelle treffen sich die beiden Sprünge (Abbildung 5.14). Der durch das erste
Überschwingen hervorgerufene Unterdruck ist hier als Betrag dargestellt. Die beiden
Druckwellen sind um diesen Betrag von der X-Achse verschoben. Der Ausgleich erzeugt die
hohe Schnelle der Luftmoleküle.
61
Abbildung 5.15
In Abbildung 5.15 ist der eingeschwungene Zustand der Welle zu erkennen. Diese Welle ist
nun einmal in der Horizontalen und in der Vertikalen zu beobachten. Sie wechselt ihre Druckund Unterdruckmaxima mit der Frequenz. In den Ecken wechselt sich immer ein
Überdruckmaximum mit einem Unterdruckmaximum ab. Der Austausch erfolgt über die
Mitte und erzeugt hier ein Geschwindigkeitsmaximum.
Dieses bedeutet, dass zum Messen einer solchen Welle Geschwindigkeitsaufnehmer und
Druckaufnehmer benötigt werden.
62
W5.4 Mikrofone
An dieser Stelle werden Druck- und Geschwindigkeits-Messmikrofone vorgestellt.
Mikrofone lassen sich im Allgemeinen in zwei Gruppen einteilen. Es gibt Mikrofone mit
Nierenkarachteristik und mit Kugelkarachteristik.
Kugelkarachteristik
Abbildung 5.16
Bei der Kugelcharakteristik ist hinter der Membran (rot) ein geschlossenes Gehäuse
(Abbildung 5.16). Das Mikrofon reagiert dadurch sehr stark auf Druckänderungen. Die
Membran kann aber durch die Federwirkung der im Mikrofongehäuse eingeschlossenen Luft
keiner Schnellenbewegung folgen. Mikrofone mit Kugelcharakteristik sind in ihrer
Empfindlichkeit nicht richtungsabhängig, daher ist der Aufnahmebereich (blau) kreisförmig.
63
Nierenkarachteristik
Abbildung 5.17
Mikrofone mit Nierencharakteristik haben eine auf der Vorderseite und Rückseite offen
aufgehängte Membran (rot) (Abbildung 5.17). Dadurch sind Sie in der Lage Luftbewegungen
aufzunehmen, die sich durch Geschwindigkeitsänderungen bemerkbar machen. Sie haben eine
Richtwirkung, dass bedeutet sie nehmen Schallquellen, die axial zur Membran liegen stärker
wahr als solche, die etwas außerhalb dieser Richtung liegen. Deshalb ist der Aufnehmbereich
nierenförmig (blau).
64
W5.5 Schallausbreitung
Abbildung 5.18
Jedes Luftmolekül hat eine Masse (Abbildung 5.18). Wenn sich nun Schall durch die
Bewegung dieser Luftmoleküle ausbreiten soll, muss diese Masse beschleunigt werden. Zum
Beschleunigen dieser Masse benötigt man eine Kraft. Für eine schnelle Beschleunigung dieser
Masse, also hohe Frequenz, ist eine große Kraft nötig. Wenn die Masse langsam beschleunigt
werden soll, also tiefe Frequenz, ist der Kraftaufwand nicht so hoch. Um aber die gleiche
Energie umzusetzen, muss man bei tiefen Frequenzen viele Moleküle anregen.
Abbildung 5.19
Abbildung 5.20
Die zur Übertragung von hohen Tönen benötigte hohe Energie wird nur bei einem direkten
Stoß optimal weitergegeben (Abbildung 5.19 und 5.20). Hier erklärt sich, dass sich hohe Töne
gerichtet ausbreiten. Denn nur der direkte Weg hat die zur Übertragung nötigen geringen
Verluste.
65
Abbildung 5.20
Abbildung 5.21
Trifft nun ein schnell beschleunigtes Molekül ein anderes, sich nicht direkt in der Flugbahn
befindliches Molekül, (Abbildung 5.20) so kann dieses nicht seine gesamte Energie an das
nächste Molekül abgeben und fliegt mit einem Teil der Energie in eine andere Richtung
(Abbildung 5.21). Wenn es auf ein weiteres Molekül trifft, kann es wiederum die Energie
nicht optimal weitergeben.
Hier erklärt sich nun, warum hohe Töne bündeln. Denn nur der direkte Weg hat die zur
Übertragung nötigen geringen Verluste.
Im Tieftonbereich werden die Moleküle durch die langsamen Schwingungen ohnehin nur mit
einer geringen Energie angeregt. Diese ist nicht sehr viel größer als die Eigenenergie im
natürlichen Zustand. So kann die Energie auch bei nicht direkten Stößen und mit großen
Richtungsänderungen weitergegeben werden.
Die Ausbreitung wird auch durch den Strahlungswiderstand beschrieben. Bei tiefen
Frequenzen hat er einen niedrigen Wert. Der Schalldruck wird durch viele Luftmoleküle mit
niedriger Schnelle erzeugt. Hierzu sind große Membranflächen erforderlich. Bei hohen
Frequenzen werden für den gleichen Schalldruck nur wenige Luftmoleküle mit großer
Schnelle benötigt. Wegen dem im Hochtonbereich hohen Wert für den Strahlungswiderstand
ist die Membranfläche klein. Ein Hochtöner benötigt so nur eine kleine Membran, muss aber
die hohe Schnelle an die Moleküle abgeben. Dies kann er nur durch eine geringe dynamische
Masse erfolgen, die aus leichter Schwingspule und Membran besteht. Durch die leichte
Schwingspule wird die Leistung begrenzt. Eine höhere Leistung besitzen Hornlautsprecher,
da das Horn den Strahlungswiderstand erhöht.
66
W5.6 Messungen im leeren Gehäuse
Messung 1:
Abbildung 5.22
Abbildung 5.23
Abbildung 5.24
Wie in Abbildung 5.22 zu erkennen ist, wurde die erste Messung im geschlossenen Gehäuse
durchgeführt. Wie vorher berechnet, zeigen alle Mikrofone bei 680Hz einen ausgeprägten
Anstieg, die stehende Welle. Der Schnelleaufnehmer N5 liegt ungünstigerweise der
Schallquelle genau gegenüber und bekommt durch seine Richtwirkung somit einen sehr
hohen Energieanteil ab. N1 zeigt die maximale Schnelle in der Mitte. N2, N3 und N4 zeigen
die durch den ständigen Druckwechsel entstehende Geschwindigkeit, die nahezu in allen
Ecken bei dieser Frequenz identisch ist. Auch kann man die durch K2 aufgezeigte Summe der
axialen und vertikalen Welle, Druckmaximum in der Ecke, erkennen.
67
Messung 2:
Abbildung 5.25
Abbildung 5.26
Abbildung 5.27
In der Messung 2 soll der Einfluss eines rechtwinkligen Brettes untersucht werden. Wie in
Abbildung 5.27 zu erkennen ist, bildet sich trotz des Brettes die stehende Welle mit 680Hz.
Zusätzlich bildet sich nun noch eine zweite stehende Welle mit 340Hz! Diese ist zwar nicht so
ausgeprägt wie die Erste, aber dennoch gut zu erkennen. N1 zeigt auch hier wieder das zu
erwartende Schnellemaximum in der Raummitte.
68
Messung 3:
Abbildung 5.28
Abbildung 5.29
Abbildung 5.30
Die letzte Messung zeigt den Einfluss eines schrägen Brettes. Dieses Brett teilt das Gehäuse
unsymmetrisch auf. Somit bilden sind nun oben und unten zwei unterschiedlich massereiche
Volumen. Die zwei unterschiedlichen Massen sind nur sehr schwer in eine Resonanz zu
bringen. Auf der Abbildung 5.30 erkennt man nur noch einen Rest der Resonanz, die sich
aber nun sehr weit verteilt.
69
W6. Beschleunigungsaufnehmer
Mit dem Beschleunigungsaufnehmer werden die Schwingungen von Lautsprechergehäusen,
Autoblechen oder Maschinenteilen gemessen. Die Beschleunigungsaufnehmer messen nur die
Schwingung des Materials und nicht den Luftschall. Bei der Messung wird die Schwingung
auf das Gehäuse des Aufnehmers übertragen. Im Gehäuse befindet sich eine Elektret Folie,
deren Massenträgheit der Gehäuseschwingung entgegenwirkt. So wird eine der Schwingung
entsprechende Spannung erzeugt.
W6.1 Messung
Die Aufnehmer sind nicht geeicht, die gezeigten Amplituden sind keine absoluten Größen.
Der messbare Frequenzbereich ist 30Hz – 3kHz. Der Schwingungsaufnehmer zeigt die
Frequenzen der Schwingungen und durch den Vergleich der Amplituden lassen sich
Schwingungen gezielt unterdrücken.
W6.2 Montage
Die Aufnehmer werden mit doppelt klebendem Teppichband auf das zu testende Material
aufgeklebt.
W6.3 Anschluss
Die Beschleunigungsaufnehmer werden an den Mikrofoneingang der Soundkarte
angeschlossen.
Hierbei wird die Empfindlichkeit durch die Aktivierung von Mic-.boost oder
Mikrofonverstärker in der Systemsteuerung erhöht.
70
W7. Design
Entwurf Kompaktlautsprecher
von Dipl. Des. Waldemar Namyslo
Herausstechendes Merkmal bei diesem Entwurf ist die Materialtrennung sowie der dadurch
entstandene Fokus auf den X –Jet Hochtöner und den Tief/ Mitteltöner.
Die, durch die spezifische Bauweise entstandene Abstufung zwischen Hoch- und Tief/Mitteltöner wird kaschiert. Dadurch, dass die Hoch-/Tief-/ Mitteltöner in
dem gleichen Material eingearbeitet sind, wird der Bezug zueinander verstärkt.
Die Frontblenden, in den die Lautsprecher eingearbeitet sind, sind austauschbar
und können somit jeder Box einen individuellen Charakter verleihen.
71
W8. Frequenzweiche
W8.1 Die Funktion einer Frequenzweiche (Passiv)
Die Frequenzweiche wird in Lautsprecherkombinationen mit mehr als einem Chassis
benötigt. Sie hat die Aufgabe die Tonfrequenzen in verschiedene Bereiche aufzuteilen. Ziel ist
es jedem Chassis den Frequenzbereich zuzuteilen, in dem es optimal arbeitet, bzw. für den es
konstruiert ist.
So kann ein Hochtöner kein Tieftonsignal verarbeiten bzw. es kann ihn sogar zerstören.Ein
Tieftöner kann aufgrund seiner Masse kein schnell schwingendes Hochtonsignal abstrahlen.
Diese zugeteilten Bereiche nennt man Wege, kommt also ein Hochtöner und ein Tieftöner
zum Einsatz wird eine 2-Wege Frequenzweiche benötigt. Der erste Weg leitet die hohen
Frequenzen zum Hochtöner und lässt die tiefen Frequenzen nicht passieren, diesen nennt man
Hochpass. Der zweite Weg leitet die tiefen Frequenzen zum Tieftöner und lässt die hohen
Frequenzen nicht passieren, diesen nennt man Tiefpass. Wird noch ein Mitteltöner benötigt
muss eine 3-Wege Frequenzweiche aufgebaut werden, der zusätzliche Weg leitet die mittleren
Frequenzen zum Mitteltöner. Dieser Weg wird Bandpass genannt er sperrt sehr hohe und sehr
tiefe Frequenzen und lässt nur den mittleren Frequenzbereich passieren.
Es gibt jedoch auch Lautsprecherkonstruktionen, die einen Hochtöner und 2 Tieftöner
beinhalten. Sollen beide Tieftöner die gleiche Frequenz wiedergeben, so wird ebenfalls eine
2-Wege Frequenzweiche benötigt, diese Kombination nennt man auch 2-Wege Lautsprecher.
Hier draus zu erkenne ist, dass sich die Anzahl der Wege nur auf die zuzuteilenden
Frequenzbereiche bezieht und nicht auf die Anzahl der Chassis.
Die Frequenzweiche kommt zwischen Verstärker und Lautsprecher zum Einsatz, und
besteht aus Bauteilen wie Widerständen, Kondensatoren und Spulen.
Im besten Fall soll nur das Frequenzspektrum aufgeteilt werden, ohne es zu verschlechtern.
Allgemein kann gesagt werden, so wenig Bauteile wie möglich und so viele wie nötig. Der
Frequenzweiche sollte die nötige Zeit gewidmet werden, da sie das Klangerlebnis besonders
prägt. Allerdings kann eine Frequenzweiche den Lautsprecherchassis nur den Weg weisen.
Auch die mit den hochwertigsten Bauteilen bestückte Frequenzweiche ist nicht in der Lage
einem Chassis einen Frequenzgang zu entlocken, den es nicht wiedergeben kann. Darum
müssen die Thiele-Small-Parameter und die Frequenzgänge der Chassis vor der Konstruktion
einer Frequenzweiche ermittelt bzw. vorhanden sein.
W8.2 Bauteile für eine Frequenzweiche
Widerstände
Widerstände arbeiten sehr linear das heißt eine Frequenzänderung hat keinen merklichen
Einfluss auf den Widerstandswert. Ein Widerstand setzt den im Leiter fließenden Strom wie
der Name schon sagt einen elektrischen Widerstand entgegen.
Der Widerstandswert legt die Intensität der Abschwächung des Stromflusses fest. Der
Widerstand kann den zurückgehaltenen Strom jedoch nicht verbrauchen sondern nur in
Wärme umsetzen, denn Energie kann nicht verbraucht sondern nur umgewandelt werden.
Wichtig bei dem Einsatz von Widerständen ist deshalb die notwendige Leistung zu
berücksichtigen, um eine übermäßige Erhitzung zu vermeiden. Die Größeneinheit von
Widerständen wird in Ohm [Ω] gemessen, das Formelzeichen ist R. Sie werden benötigt, um
die einzelnen Chassis in Ihrer Lautstärke zu beeinflussen und anzupassen. Dieses kann durch
Reihenschaltung (Abbildung 8.1) zum Chassis geschehen oder durch den Aufbau eines
Spannungsteilers (Abbildung 8.2). Ein Reihenwiderstand sollte nur bis zu einer Anpassung
von ca. 5dB eingesetzt werden da der sonnst der Gesamtwiderstand der Schaltung zu stark
steigt.
72
Ab 5dB ist ein Spannungsteiler am sinnvollsten, da hier der Gesamtwiderstand annähernd
gleich bleibt. Im Anhang befindet sich eine Tabelle der Widerstandwerte für eine Dämpfung
von 1dB bis 20dB.
Diese beiden Schaltungen werden in der Praxis nur im Hoch- und Mitteltonbereich
angewendet, da Widerstände im Tieftonbereich eine zu hohe Leistung umsetzen müssten.
Dieses kommt aber nur in den seltensten Fällen vor und dann sollte die geplante Chassisbestückung nochmals überdacht werden.
Abbildung 8.1
Abbildung 8.2
Abbildung 8.3
Die blaue Kennlinie (Abbildung 8.3) zeigt den Widerstandsverlauf eines 56Ω Widerstandes
über eine Frequenz von 20Hz bis 20kHz.
Abbildung 8.4
Abbildung 8.4 zeigt den Messaufbau (Schalterstellung Impedanz).
73
Kondensatoren
Kondensatoren arbeiten nicht linear. Das heißt, eine Frequenzänderung hat einen Einfluss auf
den Widerstandwert des Kondensators. Die Funktion eines Kondensators ist nicht so einfach
wie die eines Widerstandes. Der Kondensator besteht aus drei Platten, die äußeren sind
elektrisch leitfähig, an ihnen befinden sich die Anschlüsse. Die mittlere Platte besteht aus
einer Isolierfolie, dem Dielektrikum, das nicht elektrisch leitfähig ist. Es bestehend aus
Kunststoff, Papier und anderen Materialien. Ziel ist es Ladungsträger auf den gegenüber
liegenden Platten unterzubringen, ohne dass ein Strom fließt. Legt man eine Gleichspannung
an den Kondensator an, werden Elektronen auf eine Seite der Platten gedrückt, während sie
auf der gegenüberliegenden Seite durch die Spannungsquelle abgesaugt werden bis die Platten
vollständig geladen sind (Potenzialaufbau). Dieser Vorgang benötigt eine gewisse Zeitdauer.
Die Zeit ist zum einen von der Größe der Kapazität sowie von dem Ladestrom abhängig. Nur
während des Ladungsvorgangs verhält sich der Kondensator elektrisch leitend, danach stellt
er eine Unterbrechung dar.
Ein Musiksignal besteht aus einer Wechselspannung das bedeutet durch den ständigen
Polaritätswechsel finden permanent Lade -und Entladevorgänge statt. Schafft es der
Kondensator sich schnell genug zu laden stellt er eine Unterbrechung bzw. einen hohen
Widerstand dar. Da mit steigender Frequenz die Dauer der Lade- und Entladevorgänge immer
geringer wird, kann sich der Kondensator nicht mehr vollständig aufladen und lässt das
Musiksignal ungehindert durch.
Der Widerstandswert eines Kondensators ist für tiefe Frequenzen hoch und für hohe
Frequenzen niedrig. Deshalb ist es möglich mit einem Kondensator tiefe und hohe
Frequenzen voneinander zu trennen.
Bei Kondensatoren sind zwei Dinge zu beachten:
Die Spannungsfestigkeit muss ausreichend sein. Mit steigender Spannungsfestigkeit nimmt
auch die Bauteilgröße zu, da die isolierende Zwischenschicht immer dicker werden muss.
Aufgrund der durchaus hohen Ströme ist der Verlustfaktor zu beachten. Der Verlustfaktor
drückt eine nicht optimale Isolierung der zwei Platten voneinander aus hierdurch entsteht ein
Ohmscher Widerstand der Wärme erzeugt.
Die Größeneinheit von Kondensatoren wird in Farad [F] gemessen das Formelzeichen ist C.
Kondensatoren für den Lautsprecherbau liegen im µF Bereich [1µF = 1x10-6F].
Je größer der Wert des Kondensators je früher sinkt sein Widerstand.
Um dieses zu verdeutlichen, befinden sich 2 Kennlinien in Abbildung 8.5 auf der nächsten
Seite.
Die rote Kennlinie zeigt den Widerstandsverlauf eines Kondensators mit 22 µF, die blaue den
eines Kondensators mit 8.2 µF über eine Frequenz von 20Hz bis 20kHz.
Die Kondensatoren wurden parallel zu einen 56Ω Widerstand angeschlossen.
Der Widerstand ist notwendig um die Übersteuerung durch zu hohe Eingangsspannung zu
vermeiden, da bei niedrigen Frequenzen der Widerstand der Kondensatoren größer 50Ω wird.
74
Rot
Blau
= Kondensator 22µF
= Kondensator 8,2 µF
Abbildung 8.5
In den Kennlinien ist zu sehen, dass der Widerstandswert der Kondensatoren mit steigender
Frequenz sinkt. Auf der senkrechten Achse rechts lässt sich der Widerstandswert ablesen, die
Frequenz auf der waagerechten Achse unten.
Abbildung 8.6
Abbildung 8.7
Abbildung 8.6 zeigt den Messaufbau (Schalterstellung Impedanz) mit 8.2µF, die Abbildung
8.7 den Messaufbau (Schalterstellung Impedanz) mit 22µF.
75
Spulen
Spulen verhalten sich genau entgegengesetzt wie Kondensatoren. Auch bei Spulen ist die
Funktionsweise etwas komplizierter, eine Spule besteht aus einem langen aufgewickelten
isolierten Draht. Legt man eine Gleichspannung an die Spule an, baut sie ein Magnetfeld mit
Nord und Südpol auf vergleichbar mit einem Elektromagneten.
Wird eine Wechselspannung bzw. ein Musiksignal angelegt, wechselt die Polarität und das
aufgebaute Magnetfeld ständig. Durch den ständigen Polaritätswechsel des Magnetfeldes wird
eine Spannung in der Spule induziert, die der angelegten Spannung entgegenwirkt. Die
Gegenwirkung wird mit steigender Frequenz immer stärker. Der Widerstandswert einer Spule
ist für tiefe Frequenzen niedrig und für hohe Frequenzen hoch.
Aus diesem Grund bieten Sie ebenfalls die Möglichkeit tiefe und hohe Frequenzen
voneinander zu trennen. Die Größeneinheit von Spulen wird in Henry [H] gemessen.
Spulen für den Lautsprecherbau liegen im mH Bereich [1mH = 1x10-3H].
Je größer der Wert der Spule ist, je früher steigt ihr Widerstand.
Um Dieses zu verdeutlichen befinden sich 2 Kennlinien in Abbildung 8.8. die rote Kennlinie
zeigt den Widerstandsverlauf einer Spule mit 2,2mH, die blaue den einer Spule mit 1,8mH
über eine Frequenz von 20Hz bis 20kHz.
Die Spulen wurden ebenfalls parallel zu einen 56Ω Widerstand angeschlossen.
Rot
Blau
= Spule 2,2 mH
= Spule 1,8 mH
Abbildung 8.8
In den Kennlinien ist zu sehen, dass der Widerstandswert der Spulen mit steigender Frequenz
steigt. Auf der senkrechten Achse rechts lässt sich der Widerstandswert ablesen, die Frequenz
auf der wagerechten Achse unten.
76
Abbildung 8.9
Abbildung 8.10
Abbildung 8.9 zeigt den Messaufbau (Schalterstellung Impedanz) mit 1,8mH
Abbildung 8.10 zeigt den Messaufbau (Schalterstellung Impedanz) mit 2,2mH
77
W8.2 Frequenzweichen 1. und 2. Ordnung
Um es nicht zu kompliziert zu machen, werden im folgenden Kapitel nur Frequenzweichen
erster (6dB) und zweiter (12dB) Ordnung nach Butterworth betrachtet.
Frequenzweiche 1. Ordnung
Eine Frequenzweiche 1. Ordnung kommt mit nur einem Bauteil in jedem Zweig aus.
Sie zeigt das günstigste Phasenverhalten. Abbildung 8.13 auf der übernächsten Seite zeigt die
Schaltung und die Berechnung der Bauteile.
Die Flankensteilheit beträgt 6dB pro Oktave, das bedeutet bei jeder Frequenzverdoppelung
verändert sich die Spannung am Lautsprecher um 6dB.
Die Trennfrequenz oder auch Grenzfrequenz des Passes genannt, liegt da, wo die Spannung
um 3dB gefallen ist, oder in Zahlen ausgedrückt auf 70,7% des Eingangssignals (Abbildung
8.11). Abbildung 8.12 zeigt das Durchlassverhalten eines 6 dB Hoch – und Tiefpasses.
Abbildung 8.11
Rot
Blau
= 6dB Tiefpass
= 6dB Hochpass
Abbildung 8.12
Es wird nur der Anteil der Spannung zum Chassis durchgelassen, der sich unterhalb der
Kennlinien befindet.
Der Bereich unter der roten Kennlinie (Tiefpass) wird mit steigender Frequenz immer kleiner,
dass bedeutet, dem Tieftonchassis wird mit steigender Frequenz weniger Spannung zugeführt,
es wird also bei hohen Frequenzen leiser.
78
Der Bereich unter der blauen Kennlinie (Hochpass) wird mit sinkender Frequenz kleiner. Das
bedeutet, dem Hochtonchassis wird mit sinkender Frequenz weniger Spannung zugeführt, es
wird also bei hohen tiefen Frequenzen leiser.
Abbildung 8.13
Berechnung:
Benötigte Werte:
L
C
Z
π
fG
= Induktivität (Spule)
= Kapazität (Kondensator)
= Scheinwiderstand
= Kreiszahl Pi (3.14)
= Grenzfrequenz
Formeln:
Im Anhang befindet sich eine Tabelle mit den zu verwendenden Bauteilen für
Trennfrequenzen von 50Hz bis 20kHz.
Eine Beispielberechnung befindet sich im Kapitel „Die Frequenzweiche der Nugget,
Stationen der Entwicklung“.
79
Frequenzweiche 2. Ordnung
Eine Frequenzweiche 2. Ordnung benötigt 2 Bauteile in jedem Zweig. Die nächste Seite zeigt
die Schaltung und die Berechnung.
Die Flankensteilheit beträgt 12dB pro Oktave, das bedeutet bei jeder Frequenzverdoppelung
verändert sich die Spannung am Lautsprecher um 12dB. Die Grenzfrequenz liegt da, wo die
Spannung um 3dB gefallen ist, oder in Zahlen ausgedrückt bei 70,7 % des Eingangssignals.
Rot
Blau
Grün
= 12dB Tiefpass
= 12dB Hochpass
= 6dB Hoch und Tiefpass
Abbildung 8.14
Abbildung 8.14 zeigt das Durchlassverhalten eines 12dB Hoch – und Tiefpass. Auch hier
wird nur der Anteil der Spannung zum Chassis durchgelassen, der sich unterhalb der
Kennlinien befindet, vergleichbar mit der Funktion einer 6dB Weiche, die zur besseren
Verständlichkeit hier noch mal in grün dargestellt wird.
Wie den Kennlinien zu entnehmen, verläuft die Abschwächung der Spannung bei der 12dB
Weiche wesentlich steiler.
Abbildung 8.15
Berechnung:
Benötigte Werte:
L
C
Z
π
fG
= Induktivität (Spule)
= Kapazität (Kondensator)
= Scheinwiderstand
= Kreiszahl Pi (3.14)
= Grenzfrequenz
80
Formeln:
Im Anhang befindet sich eine Tabelle mit den zu verwendenden Bauteilen für
Trennfrequenzen von 50Hz bis 20kHz.
Sperrkreis, Saugkreis und Impedanzkorrektur
Sperrkreis
Ziel ist es mit der Schaltung Frequenzgangüberhöhungen zu glätten, indem selektiv mit dem
Filter der betreffende Bereich gesperrt wird. Allerdings steigt somit auch die
Gesamtimpedanz der Schaltung. Bei diesem Eingriff ist der Verlauf der Flanke nicht so steil
wie bei einem Saugkreis.
Funktion:
Der Sperrkreis besteht aus einer Parallelschaltung von Spule, Kondensator und Widerstand in
Reihe zum Chassis Abbildung 8.17 auf der übernächsten Seite.
In Kapitel W8.2 Bauteile von Frequenzweichen ist die Funktion der einzelnen Bauteile
beschrieben worden. Der Kondensator stellt dem Stromfluss bei tiefen Frequenzen einen
hohen Widerstand da, der Strom sucht sich also den Weg über die Spule, die bei tiefen
Frequenzen einen kleinen Widerstand hat. Bei hohen Frequenzen funktioniert dieses genau
entgegengesetzt, nun hat die Spule einen hohen Widerstand und der Strom sucht sich den
Weg über den Kondensator, der nun einen kleinen Widerstand hat. Der Bereich, in dem der
Kondensator den vom Betrag her gleichen Widerstandswert wie die Spule besitzt, nennt man
Resonanzfrequenz.
Hier heben sich beide Widerstandswerte auf. Der Schwingkreis hat im Resonanzfall einen
Widerstand, der gegen 0 Ohm geht. Aus diesem Grund ist ein Parallelwiderstand notwendig
um den Schwingkreis zu begrenzen.
Zwischen diesen Bereichen kann nun bei der gewünschten Frequenz eingegriffen werden, die
Intensität des Eingriffes legt der Widerstand R fest.
Blau
Violett
= original Frequenzgang
= geglätteter Frequenzgang
Abbildung 8.16
Abbildung 8.16 zeigt die Wirkungsweise des Sperrkreises. Die blaue Kennlinie zeigt den
original Frequenzgang, der bei ca. 3,7kHz eine Überhöhung besitzt. Durch den Einsatz des
Sperrkreises wird diese Überhöhung geglättet, den Verlauf zeigt die rote Kennlinie.
81
Abbildung 8.17
Berechnung:
Benötigte Werte:
L
C
R
Z
fr
f1
f2
B
= Induktivität (Spule)
= Kapazität (Kondensator)
= Widerstand
= Scheinwiderstand des Chassis (in der Regel 8 bzw. 4Ohm)
= Resonanzfrequenz (mittlerer Frequenzbereich der Überhöhung Bsp. Abbildung
8.16 ca. 3,7kHz)
= oberer Grenze der Überhöhung
= untere Grenze der Überhöhung
= Bandbreite der Frequenzüberhöhung (hohe Frequenz – niedrige Frequenz)
(Bsp. Abbildung 8.16 ca. 1000Hz)
Formeln:
Die Berechnung gelingt meist nur in Annäherung und muss, ausgehend von den berechneten
Werten, angepasst werden.
Saugkreis
Saugkreise sind besonders zur Kompensation von Membranresonanzen im oberen
Mitteltonbereich geeignet. Da sie den elektrischen Strom nach Masse ableiten, ist ihre
Bauteilqualität unkritischer zu sehen als bei Sperrkreisen. Der Saugkreis hat grundsätzlich
gesehen die gleiche Funktion wie der Sperrkreis, allerdings ist der Eingriff steilflankiger und
verkleinert die Gesamtimpedanz der Schaltung siehe auch Impedanzkorrektur.
Der Einsatz eines Saugkreises macht es möglich, auch ganz auf die Impedanzkorrektur zu
verzichten, da er im günstigsten Fall dessen Aufgabe gleich miterledigt. Was allerdings nicht
immer zufriedenstellend geling. In diesem Fall kann noch eine Impedanzkorrektur parallel
zum Saugkreis geschaltet werden.
Der Saugkreis besteht aus einer Reihenschaltung von Spule, Kondensator und Widerstand der
parallel zum Chassis liegt Abbildung 8.18 auf der nächsten Seite. Der Bereich, in dem der
Kondensator den vom Betrag her gleichen Widerstandswert wie die Spule besitzt, nennt man
Resonanzfrequenz.
Hier heben sich beide Widerstandswerte auf. Der Saugkreis hat im Resonanzfall einen
Widerstand, der gegen 0 Ohm geht. Aus diesem Grund ist ein Reihenwiderstand notwendig
um den Schwingkreis zu begrenzen.
82
Abbildung 8.18
Berechnung:
Benötigte Werte:
L
C
R
Z
fr
f1
f2
B
= Induktivität (Spule)
= Kapazität (Kondensator)
= Widerstand
= Scheinwiderstand des Chassis (in der Regel 8 bzw. 4 Ohm)
= Resonanzfrequenz (mittlerer Frequenzbereich der Überhöhung)
= oberer Grenze der Überhöhung
= untere Grenze der Überhöhung
= Bandbreite der Frequenzüberhöhung (hohe Frequenz – niedrige Frequenz)
Formeln:
Die Berechnung gelingt meist nur in Annäherung und muss, ausgehend von den berechneten
Werten, angepasst werden.
Achtung: Der Saugkreis soll wie angesprochen nur die Membranresonanzen im oberen
Mitteltonbereich kompensieren. Daher ist die Bandbreite B nicht so leicht aus dem
gemessenen Frequenzgang zu ermitteln. Ein Saugkreis funktioniert aber nur richtig, wenn die
zur Berechnung herangezogene Bandbreite B auch der Bandbreite des mechanischen
Resonanzbereichs der Membrane gleicht. Diese ist aber, wenn überhaupt nur sehr schwer zu
ermitteln. Die Bandbreite B ist allerdings wichtig für die Berechnung des Widerstandes R, in
der Praxis wird hier eine Abstimmung nach gehör durchgeführt.
Für eine erste Nährung an den Reihenwiderstand R hat sich ein Widerstandswert von 4,7 Ohm
bei einem 8 Ohm Chassis und 2,2 Ohm für ein 4 Ohm Chassis bewährt (13cm
Chassisdurchmesser). Eine Beispielberechnung befindet sich im Kapitel W8.6 Die
Frequenzweiche der Nugget (Entwicklung).
Impedanzkorrektur
Eine Frequenzweiche funktioniert nur dann korrekt, wenn die Anschlussimpedanz der
Frequenzweiche dem Wert entspricht der bei der Berechnung zugrunde gelegt wurde in den
meisten Fällen liegt dieser Wert bei 4 Ohm bzw. 8 Ohm.
Die Impedanz eines Lautsprecherchassis steigt aber aufgrund seiner
Schwingspuleninduktivität zu hohen Frequenzen an. Die Impedanzkorrekturschaltung gleicht
83
den Impedanzanstieg aus und besteht aus der Reihenschaltung eines Kondensators und einem
Widerstand parallel zum Chassis, Abbildung und Berechnung der Schaltung (Abbildung 16.5)
auf der nächsten Seite.
Blau
Violett
= originaler Impedanzverlauf
= korrigierter Impedanzverlauf
Abbildung 8.19
Abbildung 8.19 zeigt die Wirkungsweise der Impedanzkorrektur. Die blaue Kennlinie zeigt
den originalen Impedanzverlauf, der bei ca. 1kHz eine Überhöhung besitzt. Durch den Einsatz
der Impedanzkorrektur wird diese Überhöhung geglättet, den Verlauf zeigt die rote Kennlinie.
Abbildung 8.20
Berechnung:
Benötigte Werte:
L
C
RDC
R
= Induktivität des Chassis (Herstellerangabe)
= Kapazität (Kondensator)
= Gleichstromwiderstand des Chassis (Herstellerangabe)
= Widerstand
Formeln:
Die Berechnung gelingt meist nur in Annäherung und muss, ausgehend von den berechneten
Werten, angepasst werden.
84
W8.3 Laufzeit, akustische Phase
Ein Lautsprecherchassis ist ein schwingendes System, das aus Federn und Massen besteht.
Dieses System wird permanent beschleunigt und abgebremst. Da ein Tieftöner eine andere
Masse besitzt wie ein Hochtöner sind auch ihre Laufzeiten unterschiedlich, das äußert sich
darin, dass die von den beiden Lautsprecherchassis abgestrahlten Töne nicht gleichzeitig am
menschlichen Ohr ankommen. Dieses führt in der Regel zu einem unsauberen Klangbild und
im schlimmsten Fall können sich sogar Frequenzen auslöschen. Anders ausgedrückt die
Lautsprecherchassis laufen nicht in Phase zu einander.
Die Phase kann durch Umpolen des Hochtöners bzw. durch die Berücksichtigung der
Phasenlage bei der Gehäusekonstruktion wesentlich verbessert werden.
Abbildung 8.21 zeigt den Frequenzgang und die Phasenlage des Hoch- und Tieftöners der
Nugget. Zur Veranschaulichung wurde der Hochtöner einmal richtig und einmal falsch gepolt.
Blau
Gelb
Grün
= Tieftöner
= Hochtöner richtige Polung
= Hochtöner falsche Polung
Abbildung 8.21
Sehr gut zu erkennen ist, dass die gelbe Kennlinie im unteren Diagramm nicht in Phase mit
dem Tieftöner (blaue Kennlinie im unteren Diagramm) liegt.
Wichtig: Das Messsystem ist nur bei einem messbaren Signal in der Lage die Phasenlage zu
bestimmen. Wenn kein Signal gemessen wird, liegt auch keine definierte Phasenlage vor, die
dann angezeigte Phasenlage ist nicht brauchbar. Als Beispiel kann die gelbe Kennlinie im
unteren Diagramm in dem Bereich 0Hz bis 2kHz gesehen werden.
85
Durch Umpolung des Hochtöners wird ein wesentlich besseres Resultat erzielt (grüne
Kennlinie im unteren Diagramm). Eine weitere wichtige Erkenntnis lässt sich aus dem
Diagramm ablesen. Der Frequenzgang des Hochtöners ändert sich durch das Umpolen nicht.
Das bedeutet, dass ein linear verlaufender Frequenzgang eines Lautsprechers noch kein
Garant für einen guten Klang. Denn nur Chassiskombinationen, die in Phase spielen, bieten
ein Maximum an Klarheit, Echtheit und Durchhörbarkeit. Dies spiegelt sich in der
Wiedergabe kleinster Nuancen wieder. Da das abgestrahlte Frequenzspektrum von Hoch –und
Tieftöner zur gleichen Zeit wahrgenommen wird.
W8.4 Elektrische Phase
Während sich die akustische Phase auf die reine Laufzeit der abgegeben Töne bezieht und
mittels Messmikrofon aufgenommen wird, handelt es sich bei der elektrischen Phase um rein
elektrisch messbare Werte.
Frequenzabhängige Bauteile haben einen frequenzabhängigen Widerstand, die Impedanz. Die
Impedanz besteht aus Amplitude und Phase.
Einfacher gesagt, beim Anlegen einer Spannung fließt nur beim Widerstand zeitgleich auch
ein Strom. Bei Spule und Kondensator ist hier eine zeitliche Differenz.
Abbildung 8.22 zeigt den Impedanz- und Phasenverlauf von Widerstand, Kondensator und
Spule.
Grün
Rot
Blau
= Widerstand
= Spule
= Kondensator
Abbildung 8.22
86
Zu erkennen ist, dass der Widerstand wie im Kapitel W8.2 erklärt, frequenzunabhängig ist. Es
gibt also keine zeitliche Verzögerung zwischen Spannung und Stromfluss. Die Abbildung
8.22 zeigt die Impedanzmessung, den frequenzabhängigen Widerstand, von Kondensator und
Spule. Bei der Messung wird die Spannung über den Bauteilen gemessen. Daher bezieht sich
der Phasenwinkel auf die Spannung. Die rote Kennlinie der Spule zeigt die nahezu
schulmäßigen +90° (Grad) Phasenverschiebung. Die Spannung eilt dem Strom vor. Dies kann
auch als der Strom eilt der Spannung nach betrachtet werden. Auch der Verlauf des
Kondensators blaue Kennlinie zeigt die -90° (Grad) Phasenverschiebung, jedoch ist die
Spannung hier nacheilend oder der Strom voreilend.
Bei der Messung wird nur der mittlere Frequenzbereich richtig gezeigt. Für die niedrigen und
hohen Frequenzen ist entweder durch den geringen Widerstand der Bauteile die gemessene
Spannung zu klein oder der Widerstand der Bauteile ist so hoch, dass der Messbereich
überschritten wird.
Rot
Blau
= Tieftöner
= Hochtöner
Abbildung 8.23
Abbildung 8.23 zeigt den Impedanz- und Phasenverlauf von Hoch und Tieftöner. Wie die
blaue Kennlinie zeigt, verhält sich der Hochtöner sehr frequenzunabhängig, das ist allerdings
nicht immer so. Die rote Kennlinie zeigt den von einem Tieftöner zu erwartenden Impedanzund Phasenverlauf. Dort wo die Impedanzerhöhung im oberen Diagramm zu sehen ist,
befindet sich im unteren Diagramm ein Phasensprung diese Stelle ist die Resonanzfrequenz
des Tieftöners, sie liegt bei ca. 45Hz.
Um die Impedanzerhöhung ab ca.: 2kHz auszugleichen kann eine
Impedanzkorrekturschaltung eingesetzt werden, siehe Kapitel W8.2.
87
W8.5 Dynamic-Measurement
In den vorherigen Kapiteln wurden der Frequenzgang und die Phase betrachtet.
Um das zeitliche Verhalten einer Übertragungsstrecke zu zeigen, wurde für die Forschung das
Dynamic-Measurement Programm entwickelt. Das Programm läuft auf dem ATB precision
Messsystem. Die Soundkarten haben nicht die zeitliche Auflösung für die Messung.
Das zeitliche Verhalten zeigt sich am Besten in der Sprungantwort. Die Sprungantwort zeigt
die Amplitude und Phase eindeutig. In der normalen Sprungantwort sind aber keine
Frequenzen zu erkennen. Deshalb wird im Dynamic-Measurement Programm durch eine 3D
Darstellung die Sprungantwort mit Frequenzen gezeigt. Die Darstellung besteht aus der yAchse für die Amplitude, der x-Achse für die Frequenzen und der z-Achse für die Zeit.
Weitere Informationen sind unter
www.dynamic-measurement.de
zu erhalten.
Mit dem Programm werden der Frequenzgang, die Phase, die Sprungantwort und die
Dynamic-Measurement Darstellung der vorher beschriebenen Schaltungen gezeigt.
12 dB / Oktave Hochpass
88
12 dB / Oktave Tiefpass
12dB / Oktave Bandpass
Das Dynamic-Measurement Programm ist auch für akustische Messungen von großer
Bedeutung, besonders bei der Entwicklung zeitrichtiger Lautsprecher.
89
W8.6 Die Frequenzweiche der Nugget (Entwicklung)
Der Lautsprecher wurde gemäß der Gehäuseberechnung aufgebaut, die Chassis wurden mit
langen Kabeln im Gehäuse montiert. Ziel ist es eine Frequenzweiche 1. Ordnung zu
konstruieren, um den besten Phasenverlauf zu realisieren. Die Position des Hochtöners im
Gehäuse wurde im Vorfeld bei der Gehäusekonstruktion mittels „Rosa Rauschen“ ermittelt.
Alle Messungen wurden mit 2,83 Volt (1 Watt) durchgeführt, der Abstand des
Messmikrofons betrug 1 Meter. Abbildung 8.24. Der absolute dB Wert stimmt nicht, da die
Mikrofonempfindlichkeit nicht eingestellt wurde.
Als Messort wurde eine alte Garage verwendet, um zu zeigen, dass kein besonderer
Messraum benötigt wird, um Messungen mit ATB PC Pro durchzuführen. Den Messaufbau
zeigt Abbildung 8.25.
Abbildung 8.24
Abbildung 8.25
Abbildung 8.26 zeigt den Frequenzgang und die Phase des Hochtöners. Das Chassis wurde
ohne Frequenzweichenbauteile angeschlossen.
Achtung: Bei Nachahmung dieser Messung ist zum Schutz des Hochtonchassis mit der
kleinstmöglichen Lautstärke zu beginnen!!!
90
Rot
Blau
= richtig gepolt
= falsch gepolt
Abbildung 8.26
Fazit: Diese Messung zeigt die durch die Verpolung entstandene Phasendifferenz von 180º.
Ab 5kHz ist die Abweichung durch die nicht ausreichende zeitliche Auflösung der
Soundkarte bestimmt. Die Sprünge unterhalb 500Hz entstehen durch die zu kleine Amplitude
des Lautsprechers. Die Sprünge der roten Kurve unterhalb 2kHz entstehen durch den
Phasenwinkel um 180º.
Abbildung 8.27 zeigt den Frequenzgang und die Phase des Tieftöners. Das Chassis wurde
ohne Frequenzweichenbauteile angeschlossen.
91
Abbildung 8.27
Fazit: Diese Messung zeigt, dass der Tieftöner einen sehr linearen Phasengang besitzt und
richtig gepolt eingesetzt wird.
Abbildung 8.28 zeigt den Frequenzgang und die Phase des Hoch–und Tieftöners, beide
Chassis wurden parallel und ohne Frequenzweichenbauteile angeschlossen.
92
Rot
Blau
= Hochtöner richtig gepolt ohne Frequenzweichenbauteile
= Hochtöner falsch gepolt ohne Frequenzweichenbauteile
Abbildung 8.28
Fazit: Die richtige Polung der Lautsprecherchassis ist gefunden. Der Tieftöner wird richtig
gepolt, der Hochtöner falsch. Dies zeigt der Frequenzgang, aber entschieden deutlicher der
Sprung in der Phase.
93
Abbildung 8.29 zeigt überlappend die einzeln gemessenen Frequenzgänge von Hoch- und
Tieftöner.
Rot
Blau
= Tieftöner ohne Frequenzweichenbauteile
= Hochtöner ohne Frequenzweichenbauteile
Abbildung 8.29
Fazit: Aus der Kennlinie geht hervor, dass für den Hochtöner bei ca. 2,3kHz die
Trennfrequenz liegen sollte, für den Tieftöner scheint eine Trennfrequenz von ca. 2,2kHz
sinnvoll zu sein. Da sich die Durchlassspannungen der Pässe im Übergangsbereich addieren,
kann und sollte hier eine Lücke gelassen werden, in diesem Fall beträgt die Lücke 100Hz. Ob
dieser Bereich ausreichend ist, wird sich im weiteren Verlauf zeigen.
Berechnung
Von den Chassis sind folgende Werte bekannt:
Hochtöner
fr
= 2kHz
RDC
= 4,5Ω
Z
= 6Ω
Tieftöner
= 45Hz
= 6,4Ω
= 8Ω
Tiefpass für Tieftöner:
Spule:
Gewählt wurden 0,56mH.
94
Hochpass für Hochtöner:
Wichtig: Aus der blauen Kennlinie in Abbildung 8.29 ist zu sehen, dass der Hochtöner im
Mittel 4dB lauter ist als der Tieftöner, dieses wird durch einen Vorwiderstand ausgeglichen.
Der Vorwiderstand muss vor der Berechnung des Kondensators ermittelt werden. Sein Wert
wird quadratisch zur Impedanz des Hochtöners addiert, um auf ein richtiges Ergebnis zu
kommen. Dieses ist wichtig, da zur Berechnung des Kondensators die exakte Impedanz des
Hochtonzweiges benötigt wird.
Ermittlung des Vorwiderstandes:
Da die Impedanz Z aus der quadratischen Addition von Wirkwiderstand RDC und
Blindwiderstand XL des Hochtöners besteht, muss zunächst der Wert XL errechnet werden, da
er nicht angegeben ist.
Bekannt sind jedoch der Wirkwiderstand RDC und die Gesamtimpedanz Z, hiermit lässt sich
XL wie folgt berechnen:
Nun wird noch das Verhältnis der Dämpfung benötigt, um den Vorwiderstand zu ermitteln.
Hierzu muss der logarithmische Wert von 4dB in einen dekadischen Wert umgerechnet
werden:
Das errechnete Verhältnis von 1,585 ist mit dem Verhältnis aus dem Vorwiderstand und RDC
des Hochtöners in Verhältnis zu setzen:
R
4,5Ω
Gewählt wurden 2,8Ω aus 2x parallel 5,6Ω.
RV = DC =
= 2,84Ω
VUD − 1,585
Die 2,8 Ohm müssen nun mit XL und RDC zu einem neuen Z zusammengeführt werden:
Z=
(RDC + RV )2 + X L 2
=
(4,5Ω + 2,8Ω )2 + 3,97Ω 2
= 8,3Ω
Es wäre auch möglich gewesen, einen Spannungsteiler einzusetzen, was die etwas
komplizierte Rechnung überflüssig gemacht hätte. Allerdings haben wir so den
Gesamtwiderstand der Schaltung auf 8 Ohm angehoben, was bei einem Hochtöner mit 6 Ohm
Impedanz schon sinnvoll ist.
Mit dem neuberechnetem Z können wir den Kondensator berechnen:
Gewählt wurden 8,2µF.
Die Berechnung ist eine gute Annäherung, sollte sich jedoch im weitern Verlauf
herausstellen, dass die berechneten Werte nicht ganz passen, können sie noch verändert
werden.
Abbildung 8.30 zeigt den Einfluss des Kondensators auf den Hochtöner.
95
Rot
Blau
= Hochtöner mit Kondensator
= Hochtöner ohne Frequenzweichenbauteile
Abbildung 8.30
Fazit: Im oberen Diagramm ist zu erkennen, dass der Kondensator das niederfrequente
Spektrum dämpft. Das untere Diagramm zeigt den Einfluss des Kondensators auf die
Phasenlage. Ab ca. 900Hz fängt der Kondensator an zu wirken und dreht die Phase des
Hochtöners anfänglich nahezu um 90°.
96
Abbildung 8.31 zeigt den Einfluss der Spule auf den Tieftöner.
Rot
Blau
= Tieftöner mit Spule
= Tieftöner ohne Frequenzweichenbauteile
Abbildung 8.31
Fazit: Im oberen Diagramm ist zu erkennen, dass die Spule das hochfrequente Spektrum
dämpft. Das untere Diagramm zeigt den Einfluss der Spule auf die Phasenlage. Hier
beeinflusst die Spule nicht so stark den Phasengang, da das Chassis ebenfalls eine Spule
besitzt und sich die Phase ja schon gedreht hat. Eine Spule in Reihe zu einer Spule dreht die
Phase nicht merklich weiter.
97
Abbildung 8.32 zeigt den Frequenzgang und die Phasenlage des Lautsprechers mit der bis
hierhin entwickelten Frequenzweiche. Der dazugehörige Schaltplan Abbildung 8.33 und der
Messaufbau Abbildung 8.34 werden auf der nächsten Seite gezeigt.
Abbildung 8.32
Fazit: Das obere Diagramm zeigt einen schon sehr guten Frequenzgang, die Phase im unteren
Diagramm ist auch sehr gelungen. Der Hörtest brachte jedoch hervor, dass es im
Mitteltonbereich Klangverfärbungen gab die nicht in das Gesamtbild passten.
Abbildung 8.33
Abbildung 8.34
98
Um zu ergründen, woher die unerwünschten Klangverfärbungen im Mitteltonbereich kamen,
wurden die Einzelmessungen des Hochtöners mit Kondensator und die des Tieftöners mit
Spule in ein Diagramm gelegt (Abbildung 8.35).
Rot
Blau
Grün
= Tieftöner mit Spule
= Hochtöner mit Kondensator
= Impedanzverlauf Tieftöner
Abbildung 8.35
Fazit: Der linke Buckel des Hochtöners (blaue Kennlinie im oberen Diagramm) im Bereich
von ca. 1,95kHz bis 3,5kHz wirkt sich störend auf das Gesamtklangbild aus. Die Überhöhung
ab ca. 5kHz wird durch den Vorwiderstand gedämpft.
Ebenfalls besitzt der Tieftöner einen Buckel mit dem Mittelpunkt bei ca. 6,2kHz, die
Impedanzkurve grün zeigt, dass der Tieftöner hier auch zufälligerweise das Mittel seiner
Maximalimpedanz aufweist. Um die angesprochenen Frequenzbuckel zu glätten, werden 2
Saugkreise eingesetzt.
Berechnung Saugkreis Hochtöner:
Kondensator:
Gewählt wurden 13,3µF aus je einem 10µF und einem 3,3µF parallel.
Die Spule:
Gewählt wurden 0,27mH.
99
Der Widerstand R ist hier nicht erforderlich, da hier der ohmsche Widerstand der Bauteile
genügt. Und der vorgeschaltete Kondensator in Verbindung mit dem Vorwiderstand
begrenzend wirken.
Berechnung Saugkreis Tieftöner:
Für die Berechnung des Saugkreises werden die Grenzen der Impedanzüberhöhung
verwendet. f1 = 20kHz und f2 = 1,9kHz
Kondensator:
Gewählt wurde 1µF.
Spule:
Gewählt wurde 0,68mH.
Als Widerstand wurde der Praxiswert 4,7Ω gewählt.
Abbildung 8.36 zeigt den Einfluss des Saugkreises auf das Frequenzspektrum und die
Phasenlage des Hochtöners. Der dazugehörige Schaltplan (Abbildung 8.37) und der
Messaufbau (Abbildung 8.38) werden auf der nächsten Seite gezeigt.
Rot
Blau
= Hochtöner mit Saugkreis, Kondensator und Vorwiderstand
= Hochtöner mit Kondensator
Abbildung 8.36
100
Fazit: Aus dem oberen Diagramm geht hervor, dass der Eingriff den Buckel zwischen
1,95kHz und 3,5kHz nach unten verschoben hat, bzw. er wurde abgesaugt. Der Buckel bei ca.
2kHz ist in seiner Intensität so schwach, dass er keinen störenden Einfluss auf den
Klangeindruck hat.
Des Weiteren hat sich die Phasenlage positiv verändert, nahe an der 0°-Linie.
Abbildung 8.37
Abbildung 8.38 zeigt den Einfluss des Saugkreises auf das Frequenzspektrum und die
Phasenlage des Tieftöners. Der dazugehörige Schaltplan (Abbildung 8.40) und der
Messaufbau (Abbildung 8.41) werden auf der nächsten Seite gezeigt.
Rot
Blau
= Hochtöner mit Saugkreis, Kondensator und Vorwiderstand
= Hochtöner mit Kondensator
Abbildung 8.38
101
Fazit: Aus dem oberen Diagramm geht hervor das der Eingriff den Buckel bei ca. 6,2kHz
nach unten verschoben hat, bzw. er wurde abgesaugt. Die restliche Überhöhung ab 7kHz ist in
ihrer Intensität so schwach, dass sie keinen störenden Einfluss auf den Klangeindruck hat. Des
Weiteren hat sich auch hier die Phasenlage positiv verändert.
Abbildung 8.49
Abbildung 8.40 zeigt das Frequenzspektrum und die Phasenlage des kompletten
Lautsprechers mit der endgültigen Frequenzweiche. Der dazugehörige Schaltplan (Abbildung
8.41) wird auf der nächsten Seite gezeigt.
Rot
Blau
= Hochtöner mit Saugkreis, Kondensator und Vorwiderstand
= Hochtöner mit Kondensator
Abbildung 8.40
102
Fazit: Die blauen Kennlinien zeigen den linearen Frequenzgang (oben) und eine perfekte
Phasenlage (unten). Das Ziel einen phasenrichtigen Lautsprecher mit linearem Frequenzgang
zu entwickeln ist gelungen.
Anmerkung: Personen, die, die Meinung vertreten, dass die Phasenlage nur messtechnisch
nachzuweisen ist und keinen Einfluss auf das Klangerlebnis hat, sind herzlich eingeladen, um
den Lautsprecher Probe zu hören.
Abbildung 8,41
Abbildung 8.42 zeigt den Impedanzverlauf des fertigen Lautsprechers.
Abbildung 8.42
103
Fazit: Die Impedanzerhöhungen bei 30Hz und 9 0Hz im oberen Diagramm sind auf die
Bassreflexöffnung zurückzuführen. Der weitere Verlauf der Impedanzkurve ist als Last für
einen Verstärker als unkritisch anzusehen.
Es wäre zwar möglich gewesen, die bei 1,8kHz zu glätten, allerdings hätte dieses nur eine
kosmetische Wirkung und würde den erzielten Frequenzgang beeinträchtigen.
Zusammenfassend werden in Abbildung 8.43 die Frequenzgänger der einzelnen
Entwicklungsstufen des Hochpasses dargestellt.
Blau
Grün
Rot
= Hochtöner ohne Frequenzweichenbauteile
= Hochtöner mit Kondensator
= Hochtöner mit Kondensator, Vorwiderstand und Saugkreis
Abbildung 8.43
Fazit: Der Einfluss der Frequenzweiche auf das Frequenzspektrum des Hochtöners ist gut zu
erkennen, wichtig in diesem Zusammenhang ist auch, dass die Phasenlage nach Fertigstellung
der Frequenzweiche fast wieder auf der ursprünglichen Position liegt.
104
Zusammenfassend werden in Abbildung 8.44 Frequenzgänge der einzelnen
Entwicklungsstufen des Tiefpasses dargestellt.
Blau
Grün
Rot
= Tieftöner ohne Frequenzweichenbauteile
= Tieftöner mit Spule
= Tieftöner mit Spule und Saugkreis
Abbildung 8.44
Fazit: Auch hier hat die Frequenzweiche merklichen Einfluss auf das Frequenzspektrum des
Tieftöners, die Phasenlage änderte sich in den einzelnen Entwicklungsstufen kaum. Wie die
Gesamtphasenlage in Abbildung 8.46 wirkt sich die leichte Drehung bei 5kHz nicht störend
aus.
105
Abschließend wird in Abbildung 8.45 Frequenzgang und die Phasenlage der Nugget mit
einem Lautsprecher eines renommierten Herstellers verglichen.
Rot
Blau
= Nugget
= Referenzlautsprecher
Abbildung 8.45
Fazit: Deutlich zu erkennen ist, dass andere Hersteller auch lineare Frequenzgänge realisieren
können, jedoch der akustischen Phase keine Beachtung schenken.
106
W8.7 Anhang
Widerstandstabelle zum Spannungsteiler
Schaltplan unter Kapitel W8.2, Abbildung 8.2
Alle Angaben in Ohm
Dämpfung
in dB
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
R1
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R2 4 Ohm
Chassis
0,4
33
0,8
15
1,2
10
1,5
6,8
1,8
5,1
2
4
2,2
3,2
2,4
2,7
2,6
2,2
2,7
1,9
2,9
1,6
3
1,3
3,1
1,2
3,2
1
3,3
0,9
3,4
0,8
3,4
0,7
3,5
0,6
3,6
0,5
3,6
0,4
8 Ohm
Chassis
0,9
66
1,5
33
2,2
22
3
13,7
3,5
10,3
4
8
4,4
6,5
4,8
5,3
5,2
4,4
5,5
3,7
5,8
3,1
6
2,7
6,2
2,3
6,4
2
6,6
1,7
6,7
1,5
6,9
1,3
7
1,2
7,1
1
7,2
0,9
16 Ohm
Chassis
1,7
131
3,3
62
4,7
39
5,9
2,7
7
20,6
8
16,1
8,9
12,9
9,6
10,6
10,3
8,8
10,9
7,4
11,5
6,3
12
5,4
12,4
4,6
12,8
4
13,2
3,5
13,5
3
13,7
2,6
14
2,3
14,2
2
14,4
1,8
107
Tabelle der Bauteile für Butterworth-Filter 1.Ordung
für 4 Ohm und 8 Ohm Lautsprecher
Flankensteilheit : 6dB pro Oktave
Frequenz
in Hz
50
100
150
200
250
300
400
500
600
700
800
900
1000
1200
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
6000
7000
8000
9000
10000
12000
15000
20000
Z = 4Ω
L in mH
12,7
6,4
4,2
3,2
2,5
2,1
1,6
1,3
1,1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,25
0,2
0,18
0,15
0,14
0,12
0,1
0,1
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
C in µF
800
400
260
200
160
133
100
80
66
57
50
44
40
33
27
20
16
13
11
10
8,7
8
6,7
5,7
5
4,4
4
3,3
2,7
2
Z = 8Ω
L in mH
25,5
12,7
8,5
6,4
5,1
4,2
3,2
2,5
2,1
1,8
1,6
1,4
1,3
1,1
0,8
0,6
0,5
0,4
0,36
0,3
0,28
0,25
0,21
0,2
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
108
C in µF
400
200
133
100
80
66
50
40
33
29
25
22
20
17
13
10
8
6,6
5,7
5
4,4
4
3,3
2,7
2,6
2,2
2
1,7
1,3
1
Tabelle der Bauteile für Butterworth-Filter 2.Ordung
für 4 Ohm und 8 Ohm Lautsprecher
Flankensteilheit : 12dB pro Oktave
Frequenz
in Hz
50
100
150
200
250
300
400
500
600
700
800
900
1000
1200
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
6000
7000
8000
9000
10000
12000
15000
20000
Z = 4Ω
L in mH
18
9
6
4,5
3,6
3
2,2
1,8
1,5
1,3
1,1
1,0
0,9
0,7
0,6
0,4
0,36
0,3
0,25
0,22
0,2
0,16
0,15
0,12
0,11
0,1
0,09
0,07
0,06
0,04
C in µF
560
280
190
140
110
90
70
56
47
40
35
31
28
23
19
14
11
9,3
8
7
6,2
5,6
4,7
4
3,5
3,1
2,8
2,3
1,9
1,4
Z = 8Ω
L in mH
36
18
12
9
7,2
6
4,5
3,6
3
2,6
2,2
2
1,8
1,5
1,2
0,9
0,7
0,6
0,5
0,45
0,4
0,36
0,3
0,25
0,22
0,2
0,18
0,16
0,12
0,08
109
C in µF
280
140
93
70
56
46
35
28
23
20
18
16
14
12
9,3
7
5,6
4,6
4
3,5
3,1
2,8
2,3
2
1,8
1,6
1,4
1,2
0,9
0,7
Inhaltsverzeichnis
1. Die Analog.on Nugget............................................................................................................ 1
1.1 Die Bauteile...................................................................................................................... 1
2. Das Team................................................................................................................................ 2
3. Das Messsystem ATB PC Pro................................................................................................ 3
Wissen W1. Grundlagen der akustischen Messtechnik .................................................... 3
4. Die Chassis............................................................................................................................. 5
Wissen: W2. Auswahl der Chassis...................................................................................... 5
5. Das Gehäuse........................................................................................................................... 6
5.1 Thiele-Small ..................................................................................................................... 6
Credit: ATB_TS_Tool.zip Thiele-Small Rechner ............................................................. 6
Wissen: W3. Thiele-Small Parameter ................................................................................ 6
5.2 Der Phasenausgleich ........................................................................................................ 9
Wissen: W4. Die Phase ........................................................................................................ 9
5.3 Die stehenden Wellen..................................................................................................... 11
Wissen: W5. Grundlagen der Akustik................................................................................ 11
5.4 Die Bassreflexabstimmung ........................................................................................... 14
5.5 Resonanzarmes Gehäuse ............................................................................................... 15
Wissen: W6. Beschleunigungsaufnehmer.......................................................................... 15
5.6 Die Gehäusekonstruktion .............................................................................................. 16
Wissen: W7. Design........................................................................................................... 16
6. Die Weiche....................................................................................................................... 17
Wissen: W8. Frequenzweiche ........................................................................................... 17
6.1 Weichenentwicklung..................................................................................................... 17
6.2 Weichenplan.................................................................................................................. 18
6.3 Platinenlayout und Bestückung..................................................................................... 18
7. Das Dämmmaterial............................................................................................................... 19
8. Zusammenbau ...................................................................................................................... 20
8.1 Vorbereitung der Lautsprecher...................................................................................... 20
8.2 Gehäuse vorbereiten...................................................................................................... 20
8.3 Befestigen des Dämmmaterials..................................................................................... 20
8.4 Montage der Weiche ..................................................................................................... 21
8.5 Einbau der Lautsprecher................................................................................................ 21
8.6 Testmessung .................................................................................................................. 21
9. Der Hörtest ........................................................................................................................... 22
9.1 Vergleich mit eigenen Entwicklungen .......................................................................... 22
9.2 Vergleich mit Referenzbox ........................................................................................... 22
9.3 Test bezüglich Verstärker.............................................................................................. 23
9.4. Im Wohnraum .............................................................................................................. 23
Wissen ...................................................................................................................................... 24
W1. Grundlagen der akustischen Messtechnik ....................................................................... 24
W1.1 Messungen im Raum .................................................................................................. 24
W1.2 Zeitfenster.................................................................................................................. 25
W1.3 Die ATB PC Messung für mittlere und hohe Frequenzen ........................................ 26
W1.4 Die Nahfeldmessung ................................................................................................. 26
W1.5 Die Grenzflächenmessung......................................................................................... 27
W2. Auswahl der Chassis........................................................................................................ 28
W2.1 Die ideale Schallquelle .............................................................................................. 28
W2.2 Das Zweiwegkonzept ................................................................................................ 30
W2.3 Der Air Motion Transformer ..................................................................................... 30
110
W2.4 Der Tiefmitteltöner.................................................................................................... 32
W3. Thiele-Small-Paramter ................................................................................................... 34
W3.1 Die Freiluftresonanzfrequenz fs ................................................................................ 34
W3.2 Die effektive Membranfläche Sd ............................................................................... 34
W3.3 Die dynamische Masse Mms ...................................................................................... 34
W3.4 Das Äquivalentvolumen Vas ...................................................................................... 35
W3.5 Die Compliance der Aufhängung Cms ....................................................................... 35
W3.6 Die mechanische Güte Qms ........................................................................................ 35
W3.7 Die elektrische Güte Qes ............................................................................................ 35
W3.8 Die Gesamtgüte Qts.................................................................................................... 36
W3.9 Gehäusevarianten ....................................................................................................... 38
W3.10 Berechnung der Gehäusegröße................................................................................ 40
W4. Die Phase ......................................................................................................................... 41
W4.1 Grundlagen ................................................................................................................ 41
W4.2 Die Phase beim Lautsprecher .................................................................................... 43
W4.3 Darstellung der Phase ................................................................................................ 44
W4.4 Elektrische Phasenmessung....................................................................................... 45
W4.5 Akustische Phasenmessung ....................................................................................... 45
W5. Grundlagen der Akustik ................................................................................................... 47
W5.1 Grundbegriffe ............................................................................................................ 47
W5.2 Die stehende Welle.................................................................................................... 49
W5.3 Schall im Gehäuse ..................................................................................................... 52
W5.4 Mikrofone .................................................................................................................. 63
W5.5 Schallausbreitung ...................................................................................................... 65
W5.6 Messungen im leeren Gehäuse .................................................................................. 67
W6. Beschleunigungsaufnehmer.............................................................................................. 70
W6.1 Messung..................................................................................................................... 70
W6.2 Montage..................................................................................................................... 70
W6.3 Anschluss................................................................................................................... 70
W7. Design.............................................................................................................................. 71
W8. Frequenzweiche............................................................................................................... 72
W8.1 Die Funktion einer Frequenzweiche (Passiv)............................................................ 72
W8.2 Bauteile für eine Frequenzweiche ............................................................................. 72
W8.2 Frequenzweichen 1. und 2. Ordnung......................................................................... 78
W8.3 Laufzeit, akustische Phase......................................................................................... 85
W8.4 Elektrische Phase....................................................................................................... 86
W8.5 Dynamic-Measurement ............................................................................................. 88
W8.6 Die Frequenzweiche der Nugget (Entwicklung) ....................................................... 90
W8.7 Anhang .................................................................................................................... 107
111